Als vanzelf verschuiven de structuren op chips van micrometers naar nanometers. Dit volgens de ijzeren wet van Gordon Moore uit 1965. Daar komt een keer een eind aan, dus zoeken wetenschappers, Reinhoudt voorop, naar nieuwe vergezichten.
De kans dat een voorspelling uitkomt stijgt met het geloof dat mensen erin hebben. In 1965 beweerde Gordon Moore dat elke 18 maanden de dichtheid van transistoren op een chip zou verdubbelen. De formulering was voor de computerbranche zo uitdagend dat de voorspelling al dertig jaar lang precies uitkomt. Inmiddels is de uitspraak van Moore gepromoveerd tot de wet van Moore.
De etsmethoden met fotolithografie op chips werden nauwkeuriger door licht met steeds kleinere golflengten te gebruiken. In 2006 zal de structuur op een chip van de grens 0,1 micrometer (=100 nanometer) bereiken. Maar daarna lijken technische en economische overwegingen paal en perk te stellen aan verdere miniaturisering. Neem bijvoorbeeld de Mosfet-transistor, één van de belangrijkste componenten van PC en GSM. Op Mosfets zijn deze microstructuren met miljoenen tegelijk gentegreerd. De werking van Mosfets is mogelijk dankzij zeer dunne isolerende laagjes siliciumoxide. In de huidige generatie transistoren zijn deze nog maar vijf nanometer dik: dat zijn 25 siliciumatomen op elkaar. In 2012 is dat nog maar vijf atomen. Oncontroleerbare processen als elektrotunneling zullen de betrouwbaarheid van de transistor op het spel zetten.
Als vanzelf komt de fysica op het niveau van de kleinste bouwstenen der materie: moleculen en atomen. En daar spelen de wetten van de quantummechanica. Reinhoudt: 'Op nanoschaal kunnen elektronen maar een beperkt aantal energieniveaus aannemen in plaats van een hele range. Dat heeft directe gevolgen voor elektronische structuren. Ik zie dat niet als een lastig bijverschijnsel maar juist als een bijzondere dimensie.'
Genechip
Op meer terreinen zal micro nano worden, of is dat al. Amper 50 jaar na de structuuropheldering van DNA door Watson en Crick (1953) zal het hele menselijke genoom totaal bekend zijn. De vraag is vervolgens of ziekten zijn te herleiden tot de chemische structuur van het DNA van individuen. Dergelijke analyses vragen om nieuwe technologie die deze structuur snel en goedkoop bepaalt. De ontwikkeling van speciale 'biochips' gaat daarom een van de grootste uitdagingen worden van de komende eeuw. Dat voorspelt een rapport van Lehman Brothers, en de eerste commerciële successen zijn al zichtbaar. Nieuwe bedrijven zoals Affymetrix, dat in 1991 werd opgericht, hebben de eerste genechips op de markt gebracht. Op een oppervlak van 1,28 bij 1,28 cm zijn op 16.000 gebiedjes van 93 bij 93 micrometer verschillende stukjes DNA aangebracht. Daarmee kunnen onbekende DNA-fragmenten worden gedetecteerd met een onvoorstelbare snelheid van 400.000 verschillende sequenties per zes minuten. Reinhoudt: 'Het zijn voorbeelden van laboratoria-op-een-chip waar nog veel van te verwachten is. Ik ben ervan overtuigd dat de miniaturisering op dit gebied nog maar pas is begonnen. In de nieuwe strategische research oriëntatie (sro) van MESA+ gaan we het concept van lab-on-a-chip verder uitbreiden met chemische synthese, combinatorial chemistry en high troughput screening: een groot aantal experimenten in korte tijd.'
Detectie
Nanostructuren zijn in de laatste tien jaar 'routinematig' (Reinhoudt) zichtbaar geworden. Voordien was dat niet het geval. Conventionele lichtmicroscopen liepen tegen de grenzen van de golflengte van het licht aan en kwamen niet verder dan afmetingen tot 100 nanometer. Elektronenmicroscopen laten wel deeltjes 'zien' tot kleiner dan een nanometer, maar deze apparaten zijn stinkend duur en zijn alleen bruikbaar in hoogvacuüm. De grote doorbraak betrof de scanning tunneling microsopie waarvoor Binnig en Rohrer in 1987 de Nobelprijs voor natuurkunde ontvingen. Hierbij tast een zeer scherpe naald een oppervlak of voorwerp af waardoor een afbeelding met atomaire resolutie ontstaat. Recent zijn veel varianten op dit principe ontwikkeld waaraan ook MESA+ prominent meedoet. In Amerika hebben scanning probe microscopen zich vanuit het niets ontwikkeld tot een industrie met een omzet van meer dan 200 miljoen dollar per jaar.
Nanostructuren met een bepaalde functie worden intussen mondjesmaat gefabriceerd. Het principe van de lithografie die de chipindustrie heeft grootgemaakt, is bruikbaar voor nanotechnologie door licht te vervangen door elektronen- en ionenbundels. De afmetingen kunnen omlaag tot onder de 100 nanometer. Maar Reinhoudt tekent realistisch aan dat deze technologie te kostbaar is en zich eenvoudigweg niet leent voor massaproductie, juist de grote kracht van de klassieke lithografie. Reinhoudt zoekt mogelijkheden in zelf-assemblage van de supra-moleculaire chemie. Door moleculen specifieke kenmerken mee te geven kunnen ze zichzelf tot grotere eenheden assembleren. Dit proces van zelf-assemblage leent zich bij uitstek voor de vorming van zeer dunne lagen en synthetische 'objecten' met afmetingen van vele nanometers.
Experimenteel zijn op beperkte schaal nanostructuren maakbaar. Een voorbeeld is een single-electron tunneling transistor met behulp van een scanning probe microscoop. Het is een metalen eiland van 30 bij 30 nanometer dat zo klein is dat het maar een paar vrije elektronen kan toelaten. De toegang voor andere elektronen wordt geblokkeerd door elektrostatische afstoting tenzij de spanning verhoogd wordt. Deze Coulomb-blokkade is een goed voorbeeld van een gekwantificeerde elektronische schakeling op nanoschaal.
Mondiaal
In de wondere wereld van nanotechnologie wil MESA+ mondiaal zijn woordje meespreken. MESA+ zal zich richten op: 'materialen, technologieën en systemen voor de ICT-wereld'. Met meer dan 300 wetenschappers en technici heeft MESA+ een brede expertise op elektrotechniek, fysica en chemie. Van de promovendi en post-docs wordt meer dan 80% extern gefinancierd. Micro-elektronica/halfgeleiders, toegepaste optica/fotonische materialen, magnetische en supergeleidende materialen, microfabricage en microsysteem-technologie, chemische synthese/zelfassemblage zijn de kerngebieden van onderzoeksactiviteiten.
De 'tendens naar nanotechnologie' zal ruim aandacht krijgen. MESA+ onderzoekt de eigenschappen van isolatielaagjes van enkele nanometers dun en bestudeert de vormingsprocessen van nanolagen op halfgeleiders. Dit om te komen tot betere isolerende eigenschappen. Fotonische structuren worden onderzocht met dimensies in het nanometergebied voor het manipuleren van licht. Miniaturisering van magnetische gebiedjes zijn van belang voor het opslaan, verwerken en terugzoeken van gegevens in digitale vorm. Volgens Reinhoudt is de kans groot dat geïsoleerde magnetische nanodomeinen de eerste voorbeelden van nanotechnologie met industriële betekenis worden. De spin-valve transistor, door MESA+ ontwikkeld, is een voorbeeld van een dergelijke sensor.
Voor de periode van 2000 - 2005 draagt het CvB 32,5 miljoen extra aan MESA+ bij. Momenteel bedraagt dat budget 50 miljoen. Vijf strategische research oriëntaties zullen worden opgezet. Reinhoudt belooft publicaties op topniveau zoals enkele weken terug met de flowFET in het blad Science. Ook het genereren van nieuwe high-tech bedrijvigheid en werkgelegenheid staat bij MESA+ bovenaan de kalender. Reinhoudt is van mening dat de universiteit zelf moet investeren in nieuwe ondernemingen die gebaseerd zijn op de in Twente ontwikkelde technologie. 'Door faciliteiten te bieden in ruil voor een aandeel kan de UT de starter financieel helpen en op termijn delen in het succes', aldus Reinhoudt. Ook hoopt hij op extra bijdragen van de overheid, maar een nationaal programma vindt hij te bureaucratisch en te traag. De nanotechnologie vraagt nu eenmaal om majeure investeringen in de infrastructuur, zoals cleanrooms en apparatuur.
Prof. D. Reinhoudt
