From London to Morse via Binnig, Quate, and Gerber

Stel je een wereld voor waarin je individuele atomen kunt zien en aanraken, de minuscule bouwstenen die alles om ons heen vormen. Decennialang hebben wetenschappers een speciaal soort microscoop gebruikt, een atoomkrachtmicroscoop, om precies dat te doen. In plaats van licht te gebruiken, dat te groot is om atomen te zien, gebruikt dit instrument een naald die zo scherp is dat deze eindigt in een enkel atoom. Terwijl deze naald boven een oppervlak zweeft, voelt hij de onzichtbare krachten die tussen zichzelf en de atomen eronder trekken of duwen. Deze krachten variëren van de zeer zwakke, zachte trekkrachten die stof bij elkaar houden, tot de ongelooflijk sterke bindingen die moleculen bij elkaar houden. De grote vraag voor onderzoekers is altijd geweest: is deze naald slechts een passieve waarnemer, die stilletjes registreert wat er is, of is het een actieve deelnemer die verandert wat hij ziet?

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Nottingham en andere instellingen heeft twintig jaar aan dit antwoord besteed. Ze hebben een reis gemaakt door de verschillende soorten krachten die bestaan op atomaire schaal, beginnend bij de zwakste en bewegend naar de sterkste. Hun werk laat zien dat de naald nooit slechts een passieve waarnemer is; hij interageert altijd met het oppervlak, soms voorzichtig en soms zo sterk dat hij atomen rond beweegt. Door precies te begrijpen hoe de naald zich gedraagt, hebben ze geleerd hoe ze minuscule structuren atoom voor atoom kunnen bouwen, en ze leren computers nu om hen daarbij nog beter te helpen.

Het verhaal begint met de zwakste krachten, het soort krachten dat nanodeeltjes bij elkaar houdt in een dunne laag op een oppervlak. De onderzoekers bekeken een film van kleine gouden deeltjes, elk slechts ongeveer twee nanometer breed, die op een siliciumoppervlak lagen. Toen ze dit oppervlak met hun atomale naald scantten, gebeurde er iets verrassends. De deeltjes, die aanvankelijk verspreid lagen in een rommelig, doolhofachtig patroon, begonnen zichzelf te herschikken tot grotere, gladdere klonten. Dit gebeurde niet door warmte of natuurlijke veroudering; het gebeurde omdat de naald zelf de deeltjes duwde en trok terwijl hij heen en weer scande. De naald fungeerde als een kleine, lokale energiebron die de deeltjes een zetje gaf totdat ze een stabielere ordening vonden. Dit proces, een proces dat 'coarsening' (vergroving) wordt genoemd, liet zien dat zelfs de meest milde aanraking van de microscoop het oppervlak kon hervormen, wat bewees dat het instrument zelf de verandering aanstuurde.

Naarmate de schaal van kracht toenam, keek het team naar hoe twee individuele, voetbalvormige moleculen, bekend als fullerenen, met elkaar interageren. Ze slaagden erin één van deze moleculen op te pakken en aan de uiterste punt van hun naald te bevestigen. Vervolgens brachten ze deze punt dicht bij een ander fullerene dat op het oppervlak lag. Door de kracht tussen hen te meten, brachten ze exact in kaart hoe de twee moleculen elkaar aantrokken en afstooten. Ze ontdekten dat de manier waarop de moleculen ten opzichte van elkaar georiënteerd waren, een groot verschil maakte. Hoewel de algehele kracht aantrekkend was, betekende de specifieke vorm van de moleculen dat de afstotende krachten tussen hun atomen bepaalden hoe ze zich samen nestelden. Deze gedetailleerde mapping toonde aan dat de interactie veel complexer was dan een eenvoudige aantrekking; het was een delicaat evenwicht van krachten dat volledig afhing van hoe de moleculen gedraaid waren.

De onderzoekers richtten hun aandacht vervolgens op een veelvoorkomend type chemische verbinding, de waterstofbrug, die cruciaal is voor het bij elkaar houden van veel biologische moleculen. In het verleden hadden wetenschappers beweerd deze bindingen direct in microscoopbeelden te zien als heldere lijnen die moleculen verbinden. Echter, het team van Nottingham ontdekte dat deze heldere lijnen vaak illusies waren. Wanneer ze een oppervlak scantten waar moleculen door waterstofbruggen bij elkaar worden gehouden, zagen ze heldere lijnen precies op de plek waar de bindingen zouden moeten zitten. Maar toen ze de gegevens zorgvuldig analyseerden, realiseerden ze zich dat deze lijnen niet de bindingen zelf waren. In plaats daarvan werden ze veroorzaakt door de flexibele punt van de microscoop die licht doorboog terwijl hij over het oppervlak bewoog, waardoor een beeld ontstond dat eruitzag als een binding, zelfs wanneer die er niet was. Deze ontdekking was een belangrijke correctie voor het vakgebied, waarbij werd aangetoond dat wat eruitziet als een chemische binding in een microscoopbeeld, slechts een artefact kan zijn van de eigen beweging van het instrument.

Om deze illusies te overstijgen, bewoog het team zich naar de sterkste krachten van allemaal: covalente bindingen, de rigide verbindingen die atomen bij elkaar houden in een vaste structuur. Ze concentreerden zich op een siliciumoppervlak waar paren atomen, zogenaamde dimeren, aan elkaar gekoppeld waren maar als een schakelaar heen en weer konden klappen. Door de naald met precies de juiste hoeveelheid kracht omlaag te drukken, waren ze in staat deze atomaire schakelaars om te klappen, waardoor de oriëntatie van de atomen op commando veranderde. Ze ontdekten echter dat ze niet slechts één atoom in isolatie konden omklappen; de actie beïnvloedde altijd de buren. Dit leerde hen dat de lokale omgeving cruciaal is; de atomen zijn zo nauw met elkaar verbonden dat het veranderen van één atoom onvermijdelijk ook de anderen verandert. Dit niveau van controle is essentieel voor het bouwen van toekomstige apparaten op atomaire schaal, maar het vereist een diep begrip van hoe de gehele groep atomen reageert op de probe.

Het uiteindelijke doel van dit werk is om structuren van onderaf op te bouwen, door atomen één voor één te plaatsen om nieuwe materialen te creëren. Het team demonstreerde dit door individuele koperatomen van een oppervlak op te pakken en ze in een specifief patroon af te leggen. Ze leerden dat ze de atomen niet alleen zijwaarts konden duwen; soms moesten ze ze van het oppervlak optillen en op een nieuwe plek neerleggen. Deze verticale manipulatie maakte het mogelijk om clusters van atomen te bouwen die niet door ze zijwaarts te verschuiven gemaakt konden worden. Zo slaagden ze er bijvoorbeeld in om een compacte, driehoekige cluster van drie koperatomen te maken, een vorm die onmogelijk te vormen was door ze alleen zijwaarts te bewegen. Dit vermogen om atomen zowel op als neer als zijwaarts te bewegen, opende nieuwe wegen voor het construeren van complexe, driedimensionale vormen op atomair niveau.

Gedurende al deze experimenten realiseerden de onderzoekers zich dat de vorm van hun naald de belangrijkste variabele was. Een perfecte, enkelvoudige atomaire punt is een ideaal dat in de werkelijkheid zelden bestaat. Hun microscooppunten waren vaak rommelig, met meerdere atomen die uitstaken, wat hun interactie met het oppervlak veranderde. Soms hielp deze rommeligheid hen om dingen te zien die ze met een perfecte punt niet konden zien, maar op andere momenten creëerde het verwarrende beelden. Om dit op te lossen, begonnen ze kunstmatige intelligentie te gebruiken om hen te helpen. Ze trainden computerprogramma's om de vorm van de punt te herkennen en te beslissen wat de beste manier is om deze te bewegen. Deze programma's konden leren van duizenden pogingen om de perfecte sequentie van bewegingen te vinden om atomen op te pakken en te plaatsen, waardoor het proces van bouwen met materie effectief werd geautomatiseerd.

Het werk van dit team benadrukt een fundamentele waarheid over het kijken naar de atomaire wereld: het instrument dat je gebruikt, is onderdeel van het experiment. Je kunt de atomen niet simpelweg observeren; je bent altijd met hen in interactie. Of je nu voorzichtig een deeltje een duwtje geeft, een schakelaar omklapt of een nieuwe structuur bouwt, de microscoop is een actieve deelnemer. Door de grenzen en mogelijkheden van hun instrumenten te begrijpen, en door slimme computers in te zetten om hen te begeleiden, komen deze wetenschappers dichter bij een toekomst waarin we materialen atoom voor atoom kunnen ontwerpen en bouwen, om zo dingen te creëren die nog nooit eerder hebben bestaan.