Sjabloon-gestuurd ontwerp: bouwen op nanoschaal met een mal
Stel je voor dat je duizenden identieke cakejes wilt bakken zonder dat je elk taartje met de hand hoeft vorm te geven. Je gebruikt een bakvorm: het deeg vloeit erin, neemt de vorm aan en na het bakken heb je precies de vorm die je wilde. Sjabloon-gestuurd ontwerp werkt in de kern hetzelfde, maar dan op een schaal die duizenden keren kleiner is dan een bacterie. In plaats van een bakvorm gebruiken wetenschappers een molecuul, een virus, een poreus materiaal of een kristalrooster als "mal" waarlangs atomen of moleculen zich precies rangschikken tot de gewenste structuur.
Het bijzondere is dat dit gebeurt op de schaal van nanometers: een miljardste van een meter, ongeveer duizend keer kleiner dan de dikte van een haar. Op die schaal kun je onmogelijk met een pincet of frees te werk gaan. Sjabloon-gestuurd ontwerp maakt daarom gebruik van natuurkundige en chemische krachten die materialen vanzelf laten samenklonteren rond of in het sjabloon, een proces dat onderzoekers zelfassemblage noemen. Het sjabloon bepaalt de uiteindelijke vorm, net zoals de bakvorm het cakeje vormt.
Wat is het precies?
Om te begrijpen wat sjabloon-gestuurd ontwerp toevoegt, helpt het eerst het onderscheid te kennen tussen twee manieren om iets te maken. Bij top-down fabricage begin je met een groot stuk materiaal en snijd, ets of slijp je er iets kleins uit weg, zoals een beeldhouwer die een steen bewerkt. Bij bottom-up fabricage bouw je juist van klein naar groot op, door bouwstenen zoals atomen of moleculen zichzelf te laten ordenen tot een grotere structuur. Sjabloon-gestuurd ontwerp is een bottom-up methode: het sjabloon geeft de bouwstenen een route of een mal om zich langs te ordenen.
Er bestaan grofweg twee soorten sjablonen. Een hard sjabloon is een vast materiaal met een vaste vorm, bijvoorbeeld een plaatje met piepkleine gaatjes erin. Materiaal dat in die gaatjes wordt afgezet, neemt de vorm van de gaatjes aan; verwijder je daarna het sjabloon, dan houd je nanodraadjes of nanobuisjes over die precies zo dun en lang zijn als de gaatjes voorschreven. Een zacht sjabloon is flexibeler en bestaat vaak uit moleculen die zichzelf eerst tot een patroon ordenen, waarna andere stoffen zich daarnaar voegen.
Een bijzondere categorie zijn biologische sjablonen. DNA, het molecuul dat onze erfelijke informatie draagt, kan door zijn voorspelbare manier van aan elkaar plakken (de bekende basenparen A-T en C-G) worden "geprogrammeerd" om zichzelf tot een gewenste vorm te vouwen. Ook virussen, die van nature de neiging hebben zich in regelmatige patronen te rangschikken, worden ingezet als levende bouwstellage.
Het proces verloopt meestal in stappen: eerst wordt het sjabloon gemaakt of gekweekt, dan wordt het gewenste materiaal (metaalionen, moleculen, kristalvormende stoffen) eromheen of erin aangebracht, vervolgens vindt de zelfassemblage of afzetting plaats, en tot slot wordt het sjabloon soms weer verwijderd (bijvoorbeeld opgelost) zodat alleen de nieuwe nanostructuur overblijft.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is precisie. Traditionele fabricagetechnieken zoals lithografie, waarbij patronen met licht op een oppervlak worden "belicht" zoals bij het ontwikkelen van een foto, botsen op natuurkundige grenzen naarmate structuren kleiner worden. Sjabloon-gestuurd ontwerp belooft structuren te maken die met licht of mechanisch gereedschap niet of nauwelijks haalbaar zijn, omdat de chemie het zware werk doet.
Een tweede doel is kostenbesparing. Zelfassemblerende processen kunnen in principe parallel plaatsvinden: miljoenen nanostructuren ontstaan tegelijk in een reageerbuis, in plaats van dat een machine ze één voor één moet uitsnijden. Dat maakt de techniek aantrekkelijk voor toepassingen waarbij grote aantallen identieke nanostructuren nodig zijn.
Ten derde hopen onderzoekers nieuwe materiaaleigenschappen te ontsluiten: katalysatoren (stoffen die chemische reacties versnellen zonder zelf te verbruiken) met een precies afgestemde poriegrootte, batterij-elektroden met een groter oppervlak voor snellere lading, of medische dragers die medicijnen gericht in het lichaam afleveren. De vorm op nanoschaal bepaalt vaak direct de functie, en een sjabloon geeft controle over die vorm.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste doorbraken is DNA-origami, geïntroduceerd door onderzoeker Paul Rothemund van het California Institute of Technology (Caltech) in 2006 in het tijdschrift Nature. Hij liet zien dat een lange, enkele streng DNA met behulp van honderden kortere "nietjes-strengen" (staple strands) tot vooraf ontworpen tweedimensionale vormen kan worden gevouwen, van smileys tot kaarten van Amerika, allemaal slechts enkele tientallen nanometers groot.
Rond dezelfde periode gebruikte Angela Belcher, hoogleraar aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), genetisch aangepaste virussen (M13-bacteriofagen) als sjabloon om nanodraden te laten groeien die als elektrodemateriaal voor lithium-ionbatterijen konden dienen, gepubliceerd in Science. De virussen zelf zijn onschadelijk voor mensen en dienen puur als bouwstellage.
Op industriële schaal wordt al veel langer gebruikgemaakt van anodisch aluminiumoxide (AAO): een laagje aluminiumoxide dat via een elektrochemisch proces vanzelf een regelmatig patroon van parallelle nanoporiën vormt. Sinds de jaren negentig en tweeduizend gebruiken laboratoria dit poreuze materiaal als mal om metalen of halfgeleidende nanodraden te laten groeien.
Nog ouder, en inmiddels een volwassen industriële toepassing, zijn zeolieten: kristallijne materialen met poriën op moleculaire schaal die al sinds de jaren zestig en zeventig worden gebruikt in de olieraffinage. Hun regelmatige poriestructuur werkt als een moleculaire zeef die alleen bepaalde molecuulvormen doorlaat, wat chemische reacties selectiever maakt.
Tot slot onderzochten bedrijven als IBM en het Belgische onderzoekscentrum imec het gebruik van zelfordenende "block-copolymeren" (polymeren die vanzelf regelmatige nanopatronen vormen) als mogelijke aanvulling op lithografie voor de productie van computerchips. Deze route, bekend als Directed Self-Assembly (DSA), bleef echter grotendeels beperkt tot onderzoek en heeft de dominante EUV-lithografietechniek (die met extreem ultraviolet licht werkt) niet vervangen in de massaproductie van chips.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstatus loopt sterk uiteen per toepassing. Zeolieten en AAO-sjablonen zijn al decennia industrieel volwassen en worden op grote schaal commercieel toegepast, respectievelijk in de chemie en in nichetoepassingen voor nanomaterialen.
DNA-origami en virus-gebaseerde templating staan daarentegen nog vooral in de onderzoeksfase. De precisie is indrukwekkend in het laboratorium, maar opschaling naar industriële hoeveelheden blijft lastig: DNA en eiwitten zijn relatief duur om in grote hoeveelheden zuiver te produceren, en de structuren zijn vaak gevoelig voor temperatuur en vocht.
Bij chipfabricage is de belofte van block-copolymeer-lithografie (DSA) maar deels uitgekomen. Halverwege de jaren tien werd er nog gehoopt dat DSA een goedkoper alternatief voor extreem dure lithografiemachines zou worden, maar de halfgeleiderindustrie koos uiteindelijk grotendeels voor verdere verfijning van EUV-lithografie. DSA wordt nu vooral onderzocht als aanvullende of nichetechniek, niet als vervanging.
Een terugkerend obstakel over de hele linie is reproduceerbaarheid: zelfassemblage werkt uitstekend in een gecontroleerde laboratoriumopstelling, maar kleine verontreinigingen of temperatuurschommelingen kunnen bij opschaling tot defecten leiden. Onderzoekers werken aan foutcorrectiemethoden en aan goedkopere manieren om de sjablonen zelf te produceren.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten lopen het California Institute of Technology (Caltech, met het werk van Paul Rothemund) en het Massachusetts Institute of Technology (MIT, met onder meer Angela Belcher) voorop in respectievelijk DNA-nanotechnologie en biologisch getemplate materialen. Het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, verbonden aan Harvard University, is eveneens een belangrijk centrum voor DNA- en eiwit-gebaseerde zelfassemblage.
In Nederland draagt de Technische Universiteit Delft bij via het Kavli Institute of Nanoscience, dat onderzoek doet naar nanostructuren en zelfassemblage. Ook onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam verricht fundamenteel onderzoek naar materialen op nanoschaal.
Op het gebied van chipfabricage speelde IBM Research een pioniersrol in onderzoek naar block-copolymeer-lithografie, terwijl het Belgische onderzoekscentrum imec (Interuniversity Microelectronics Centre) een van de belangrijkste Europese spelers is in onderzoek naar geavanceerde chipproductietechnieken, waaronder Directed Self-Assembly.