Moleculen die snel moeten zijn - De kleinste autorace ter wereld vindt in vacuüm plaats

Moleculen die snel moeten zijn - De kleinste autorace ter wereld vindt in vacuüm plaats

Nano-auto’s zijn uiterst klein – ze bestaan uit slechts een enkel molecuul. Toen dit type ‘raceauto’ enkele weken geleden deelnam aan een race in Toulouse, Frankrijk, gebeurde dit onder extreme omstandigheden: in een ultra-hoog vacuüm en bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt.
03_NanoCar.jpg

Deze race heeft geen zoemende motoren en risicovolle inhaalmanoeuvres en de snelheid is niet echt extreem: deze wordt namelijk gemeten in nanometers per uur en niet in kilometers per uur. Desalniettemin is de competitie tussen deze uiterst kleine deelnemers op een unieke manier spannend omdat het gaat om het besturen van moleculen, atomen en subatomaire deeltjes.

Vrije bewegingsruimte dankzij vacuüm

De racebaan in kwestie is honderden nanometers lang en is gemaakt van puur goud. Bovendien vindt de nanorace plaats bij extreem lage temperaturen. Voor het mogelijk maken van het sturen van de racedeelnemers over de racebaan, moet de beweging van de moleculen zelf tot een minimum beperkt worden. De plek wordt daarom met behulp van vloeibaar stikstof en helium gekoeld tot 269 °C onder nul. Zo dichtbij het absolute nulpunt beweegt vrijwel niets uit zichzelf.

Om de voertuigen vrij te kunnen laten bewegen, moet de racebaan volledig vrij zijn van vreemde atomen. Zelfs de kleinste verontreiniging, zoals een molecuul atmosferische zuurstof, zou een nano-auto van zijn spoor af kunnen duwen. Om deze omstandigheden te handhaven, vindt de race plaats in een ultra-hoog vacuüm. Met behulp van turbo- en getterionen-vacuümpompen wordt de druk gereduceerd tot 10-11 mbar.

Atomen als routemarkering

De gouden racebaan wordt ook grondig gereinigd voor de race: het oppervlak wordt bestookt met ionen en vervolgens verhit, om voor een vlakke baan te zorgen. Nano-wetenschappers voegen vervolgens goudatomen toe om de route voor de voertuigen over de baan te markeren.

De volgende uitdaging vormt het plaatsen van de moleculaire auto's op de route, zonder ze tijdens dat proces te vernietigen. Om dit te bereiken worden ze in een voorbereidingsruimte verhit totdat ze verdampen. De juiste kandidaat voor de race wordt vervolgens geselecteerd uit de moleculen die neerslaan op het oppervlak van de gouden racebaan.

Gedetecteerd met behulp van tunnelstroom

De uiterst kleine racedeelnemers, elk ongeveer ter grootte van net een honderdduizendste van de diameter van een menselijke haar, kunnen niet worden gezien met optische microscopen omdat de golflengte van het licht daarvoor te groot is. Om deze reden volgen de teams van onderzoekers hetgeen er gebeurt in de race met behulp van een scanning tunnelling microscoop. Bij dit instrument wordt een elektrisch geleidende sonde, waarvan het uiteinde uit slechts één enkel atoom bestaat, over het oppervlak van de racebaan bewogen in de vorm van een raster, met intervallen van slechts enkele nanometers.

Hoewel de punt van de sonde en het onderzoeksobject nooit met elkaar in contact komen, wordt er, in overeenstemming met de wetten van de kwantummechanica, een tunnelstroom gecreëerd wanneer een laag voltage wordt toegepast. Het volume van deze stroom hangt in hoge mate af van de afstand tussen het object en de sonde. Bij het scannen van de gouden folie wordt de punt zo precies bestuurd, dat de afstand en het stroomvolume altijd constant blijven. Dit maakt het voor wetenschappers mogelijk om een hoogteprofiel te creëren voor de racebaan, met een topografische voorstelling van de nano-auto's.

Nog acht uur tot de finish

In feite gebruiken de onderzoekers de sonde niet alleen om de raceauto's zichtbaar te maken maar ook voor het bepalen van hun bewegingen. Daarnaast gebruiken ze ook de tunnelstroom. In Toulouse werd deze methode gebruikt om enkele moleculaire voertuigen naar een hoger energieniveau te tillen door een elektron toe te voegen. De voertuigen geven deze energie onmiddellijk weer vrij en zetten deze om in beweging. Andere raceteams gebruikten de elektrostatische afstoting van de elektroden om vooruit te komen.

Het is ook mogelijk om de voertuigen mechanisch naar hun bestemming te sturen met behulp van de punt van de sonde, maar gedurende de race was dit alleen toegestaan in het geval van nood. Het winnende Zwitserse team hoefde zijn toevlucht tot dit soort manipulatie niet te nemen. Hun ‘Swiss Nano Dragster' bereikte de – mogelijk recordbrekende – snelheid van rond de twaalf nanometer per uur, en was de eerste die na ongeveer acht uur de gouden finish bereikte. Net als bij races in het groot werd het succes gevierd met een champagnedouche.

Busch rust onderzoeksinstituten wereldwijd uit met vacuümtechniek. Teneinde jonge onderzoekers en ontwikkelaars te ondersteunen sponsort Busch universiteiten en werkgroepen door vacuümtechniek beschikbaar te stellen.


Het was de wetenschappers slechts toegestaan om ongeveer honderd atomen te gebruiken voor de bouw van hun miniatuurauto's. Er waren echter geen strikte specificaties over hoe ze zouden moeten zijn samengesteld of over hun uiterlijke verschijning.

Het principe van een luchtkussenvoertuig wint

De voertuigonderdelen die door de zes verschillende teams van onderzoekers werden geleverd waren zeker divers: nano-auto's uit Frankrijk, de VS en een Amerikaans-Oostenrijkse samenwerking leken op vertrouwde deelnemers op vier wielen, terwijl het Japanse voertuig deed denken aan een bot en Duitsland een windmolenachtige structuur inbracht. Het succesvolle ontwerp van de universiteit van Basel volgde het principe van een luchtkussenvoertuig. Het platte molecuul bestond uit vier koolstofringen die samen een Y vormden. De motor van de structuur werd gevormd door drie koolstofatomen, terwijl een methylgroep werd gebruikt als voorspoiler. De nano-wetenschappers uit Basel hebben het molecuul echter niet speciaal voor de miniatuurautorace ontwikkeld: in hun dagelijkse onderzoek fungeert de Swiss Nano Dragster als een component van organische zonnecellen.


Abonneer u op de "World of Vacuum"-nieuwsbrief!
Abonneer u nu en blijf up-to-date met het laatste fascinerende nieuws op het gebied van vacuüm.

ABONNEREN

Wilt u meer weten?
We geven u graag meer informatie. Contact Busch Nederland:
+31 (0)348 46 23 00 Neem contact met ons op