Klein, kleiner, kleinst. Wat is nanotechnologie?
Klein, kleiner, kleinst. Wat is nanotechnologie?
Laatste update: 26-04-2024
Een baksteen is zo’n twintig centimeter lang, een legosteentje al tien keer korter. Maar wil je écht kleine dingen bouwen, op nanoschaal, dan moet je dat legosteentje nog 10 miljoen keer kleiner maken. Een nanometer is honderdduizend keer kleiner dan de dikte van een haar of een vel papier. Lastig voor te stellen dat wetenschappers op deze ontzettend kleine schaal dingen bouwen, vergelijkbaar met de bouwwerken die je als kind bouwt met lego. Wat kunnen we met nanotechnologie?
Redacteur: Edda Heinsman
De bouwstenen die de onderzoekers gebruiken zijn atomen. Er passen ongeveer tien atomen in een nanometer. Alles om ons heen, inclusief jij zelf, bestaat uit moleculen, die weer zijn opgebouwd uit atomen. Het knutselen met die atomen om nieuwe moleculen te bouwen met bijzondere eigenschappen, noem je nanotechnologie.
Hoe ontstond nanotechnologie?
Het manipuleren van atomen om nieuwe moleculen te bouwen, is iets wat we nog niet heel lang kunnen. Dat de wereld opgebouwd is uit kleine deeltjes, is iets waar al wel lang over nagedacht wordt. Het woord ‘atoom’ betekent ‘ondeelbaar’, het komt van de oude Grieken. Die dachten al dat de wereld bestond uit vier soorten deeltjes. De elementen water, aarde, lucht en vuur. Pas met de ontwikkeling van de microscoop kon de mens meer inzoomen op de wereld om ons heen. Het opende een deur tot een hele nieuwe wereld: de wereld van de cellen en micro-organismen. En toch kan het nog een stuk kleiner.
Door met behulp van scheikundige experimenten de eigenschappen van materialen te veranderen, wordt steeds meer duidelijk over de opbouw van materialen. De theorie dat stoffen opgebouwd zijn uit moleculen, en moleculen uit atomen, krijgt steeds meer vorm. Het blijkt dat de wereld is opgebouwd uit meer dan slechts vier elementen. Mendelejev publiceert in 1869 een overzichtelijke tabel waarin hij de op dat moment bekende elementen op basis van hun eigenschappen sorteert: het periodiek systeem der elementen.
Wat is 'nano' precies en wat zijn de mogelijkheden? De hele aflevering zien? Kijk op NPO.nl.
Hoe bouw je iets in de nanowereld?
Deeltjes die honderd miljoen keer kleiner zijn dan de dikte van een haar, nog veel kleiner dan je met de beste optische microscoop kunt zien; hoe bouw je daar iets van? Met een nanohamer en een nanozaag? Maar hoe bouw je dié dan? Het gereedschap van de nanotechnologie is de scheikunde. Door verschillende stoffen bij elkaar te voegen, of door ze bijvoorbeeld te verhitten, vinden chemische reacties plaats. Er kunnen nieuwe verbindingen tussen atomen ontstaan. Zo worden nieuwe moleculen gecreëerd, dat noem je ook wel synthese. De ontstane stoffen kunnen nieuwe eigenschappen hebben. Na het maken van nieuwe moleculen is het belangrijk deze te kunnen ordenen, aan elkaar te koppelen, zodat weer nieuwe structuren ontstaan.
"Nanotechnologie houdt zich bezig met het ontwerpen van nieuwe technologie op afmetingen van één nanometer."
Maar hoe weet je of de bij elkaar gevoegde moleculen precies de verbindingen hebben gemaakt die je op het oog had? Het resultaat van een chemische reactie is vaak zichtbaar in de dagelijkse ‘macroscopische’ wereld. Denk maar aan een ei dat van structuur verandert als je het kookt. Door op grote schaal de gewijzigde eigenschappen te bestuderen, begrijpen scheikundigen steeds beter hoe de onderliggende verbindingen er uit zien. De laatste jaren is het ook mogelijk om de resultaten van het werk op nanoschaal zichtbaar te maken met ‘s werelds sterkste microscopen. Daarnaast maken veel scheikundigen gebruik van computermodellen om de moleculen en hun structuur zichtbaar te maken, te onderzoeken, beter te begrijpen en nieuwe structuren en materialen te ontwikkelen.
Hoe werkt de tastmicroscoop?
Wat zijn de mogelijkheden van nanotechnologie?
De mogelijkheden van nanotechnologie lijken eindeloos. Maar waar wordt nanotechnologie nu al voor gebruikt? Er worden al zilveren nanodeeltjes gebruikt in crèmes en kleding en ze zijn bijvoorbeeld verwerkt in handvatten van winkelwagentjes in de supermarkt. Zilver werkt bacteriedodend, dus nanodeeltjes in je sokken zouden kunnen helpen tegen zweetlucht. In zonnebrand zitten soms ook nanodeeltjes. Omdat nanodeeltjes zo klein zijn, hebben ze een relatief groter oppervlak dan grotere deeltjes. Daardoor beschermen ze dus beter tegen UV-licht. En nanobuisjes van koolstof zijn licht en buigzaam en tegelijk ontzettend sterk.
Ben Feringa bouwde als eerste ter wereld een nano-motortje. Zijn droom: machientjes bouwen om mensen te genezen. De hele aflevering zien? Kijk op NPO.nl.
Er worden ook nanodeeltjes toegevoegd aan diesel, waardoor de verbranding beter verloopt en er minder fijnstof vrijkomt. En zo kunnen we nog even doorgaan: Elektronische circuitjes met nanobuisjes voor kleinere en zuiniger chips, nanodraadjes voor flexibele buigbare beeldschermen, betere zonnepanelen en ramen die zichzelf schoon houden, nieuwe medicijnen die je in lagere dosis kunt gebruiken, langer houdbare verf. Het kan niet op.
Hieronder zie je een spannend voorbeeld van iets in de nanowereld dat in de macrowereld zichtbaar is.
Wat onderzoekt Ben Feringa?
Eén van de grote namen in het huidige nano-onderzoek is scheikundige Ben Feringa. Deze nuchtere wetenschapper sleepte eind 2016 samen met de Fransman Jean-Pierre Sauvage en de Brit James Fraser Stoddart de Nobelprijs voor de scheikunde in de wacht.
Ik word ongelooflijk blij van een mooie molecuul.
Feringa is de eerste die het lukte een moleculair motortje te bouwen, dat onder invloed van licht één kant op draait. Vervolgens gebruikte hij dit principe om een nano-autootje te bouwen, dat onder invloed van licht over een oppervlakte rijdt. Het is volgens Feringa nog een behoorlijke stap naar nanorobotjes die iets in het lichaam repareren, of een medicijn op precies de juiste plaats afleveren. Toch ziet hij deze ontwikkeling niet als science fiction, maar als de toekomst.
Straatnaambord Nobelprijswinnaar Feringa
Nobelprijswinnaar Ben Feringa onthult een straatnaambord naar hem vernoemd in zijn geboortedorp Barger-Compascuum.
Wat als deeltjes in het milieu terechtkomen?
Nu door de mens geproduceerde nanodeeltjes aan steeds meer producten worden toegevoegd, is de kans groot dat ze in het milieu terechtkomen. Zilverdeeltjes gemaakt om in je sokken bacteriën te doden, kunnen loslaten tijdens het wassen en via het riool in het oppervlaktewater terechtkomen. Of ze daar schade aanrichten is onbekend, maar het klinkt niet onlogisch dat deeltjes die bacteriën doden, ook schadelijk zijn voor de bacteriën in het water. Het RIVM doet onderzoek naar de veiligheid van nanodeeltjes, en vraagt zich af of de huidige risicobeoordeling volstaat. Nanobuisjes lijken ondanks hun vele positieve eigenschappen, ook gevaarlijk te kunnen zijn. Zo zouden er bij inademing, net als bij asbest, ontstekingen kunnen ontstaan die tot kanker kunnen leiden.
Onderzoekster Martina Vijver probeert te ontdekken wat het effect is van de nanodeeltjes die wij toevoegen aan producten op de natuur.
Wat kan er in de toekomst dankzij nanotechnologie?
Hoe de toekomst er uitziet weet natuurlijk niemand. Maar dat nanotechnologie er een rol in gaat spelen is wel duidelijk. Zelfhelende materialen, zoals een vliegtuig waarvan de haarscheurtjes direct worden opgevuld dankzij nanotechnologie, of autolak die zichzelf repareert onder invloed van licht functioneren al in het laboratorium en zullen op korte termijn ook op grotere schaal haalbaar zijn.
Voor scenario’s op langere termijn kun je naar science fiction kijken. De meest uiteenlopende toekomstschetsen kun je daarin vinden. Minirobotjes die ons lichaam gezond houden door ziektes aan te vallen en foutjes te repareren, kom je veel tegen in SF-verhalen. Maar ook nanomachines die we als een zwerm de ruimte in sturen om het heelal te onderzoeken. Of sensoren die in elk product en overal op de wereld van alles meten en registreren. Slimme contactlenzen, waar dingen op geprojecteerd worden als een klein computerscherm ín je oog. Of zoals in Star Trek, de ‘replicator’, waarmee elk gewenst product, bijvoorbeeld een stukje appeltaart, in een paar seconden wordt opgebouwd. En dan niet uit de ingrediënten bloem, suiker en appels, maar rechtstreeks uit de elementen waaruit het bestaat.
In het laatste fragment legt Robert Dijkgraaf uit dat we zelf bijna een soort goden zijn geworden, die vanalles kunnen scheppen.
"We kunnen nu letterlijk atoom voor atoom de materialen rangschikken."
In het kort
Een nanometer is honderdduizend keer kleiner dan de dikte van een haar of een vel papier.
Om iets te bouwen in de nanowereld, kun je gebruik maken van lasers, extreem goede microscopen en scheikunde.
Ben Feringa won de Nobelprijs voor de scheikunde met de ontwikkeling van de eerste moleculaire motor.
Nanotechnologie gaat een steeds grotere rol spelen in het dagelijks leven.
De implicaties van het gebruik van nanodeeltjes zijn nog niet goed te overzien.
En je weet het!
Anderen het laten weten?
