Prof. Van Wees dresseert tollende elektronen in grafeen

Van Wees. beeld Sjaak Verboom
4

Hoe veelzijdig is grafeen? Bart van Wees (57) van de Rijksuniversiteit Groningen (RuG), tot voor kort leider van het Europese grafeenonderzoek, legt er digitale informatie op vast met rondtollende elektronen.

Grafeen is niet meer dan een uiterst dunne laag koolstof van één atoom dik. Het is goedkoop, niet giftig, uiterst dun, extreem sterk, doorzichtig, flexibel en elektrisch geleidend. Dat maakt het geschikt voor flexibele touchscreens, energiezuinigere waterzuiveringsmethodes, sterkere soorten textiel en grafeenverbindingen die kankermedicijnen op de juiste plaats in het lichaam afleveren. Maar ook voor beschermende coatings voor windturbines en schepen, sneller internet, en batterijen met een veel hogere capaciteit dan met de huidige technieken mogelijk is.

De belangstelling voor grafeen nam flink toe nadat in 2010 de Nobelprijs voor Natuurkunde werd toegekend aan twee grafeenonderzoekers. De Europese Unie heeft in 2013 een zogeheten Graphene Flagship Project opgezet dat tot 2023 kan rekenen op een Europese pot van in totaal 1 miljard euro. Bart van Wees, hoogleraar technische natuurkunde aan de RUG, was tot voor kort ”leader” van het zogeheten workpackage spintronica.

Wat houdt dat workpackage in?

„Ik moest het onderzoeksprogramma uitwerken en daarbij partners uit wetenschap en industrie betrekken. Op dit moment is de verkennende fase achter de rug. En in 2023 moeten de eerste bruikbare toepassingen van grafeen op de markt komen. Mijn interesse richt zich niet op grafeen an sich, maar wel op de bijzondere eigenschappen van de stof. We kwamen het op het spoor via ons onderzoek aan koolstofnanobuisjes.”

Wat hebben koolstofnanobuisjes met grafeen te maken?

„Feitelijk zijn die buisjes opgerold grafeen. Die moet je eerst maken. Daarna kun je ze met grote moeite vinden in de grote hoop van koolstofverbindingen die zijn ontstaan bij de synthese van de nanobuisjes. Om daarmee vervolgens experimenten te doen, moeten de onderzoekers er elektronische contactjes aan bevestigen van 100 nanometer dik – dat is nog dunner dan een mensenhaar.

Toen kwamen we grafeen op het spoor. Grafeen is één atoom dik en is een heel goede elektrische geleider. Het was dus niet zo’n ingewikkelde stap om te zeggen: wacht eens even, dat werkt veel simpeler dan nanobuisjes. Bovendien is plat, tweedimensionaal grafeen van één atoomlaag dik simpel en goedkoop te maken uit een brok grafiet.”

Het onderzoek van de hoogleraar richt zich op de zogeheten spintronica, elektronica die een speciale eigenschap van elektronen gebruikt: de elektronenspin.

Wat is de elektronenspin?

„Negatief geladen elementair deeltjes, zoals elektronen, kunnen als een tol om hun eigen as draaien. Draaiende elektrische lading veroorzaakt vervolgens een magnetisch veld. Dat kunnen we beïnvloeden. Dit is de basis van de spintronica.”

Waarvoor wordt de spintronica gebruikt?

„Het vakgebied houdt zich momenteel bezig met minuscule elektronische schakelingen, zogeheten spinvalves of spinkleppen. Spinvalves kunnen worden gebruikt als bits, de nullen en enen op bijvoorbeeld de harde schijf van een computer.

De richting van de spin kun je je voorstellen als een kompasnaald. Als de spin spontaan van richting verandert, raak je informatie kwijt. Je wilt dus wel dat die informatie voor langere tijd behouden blijft. Of over een langere afstand kan worden getransporteerd.”

Welke rol speelde grafeen in dat onderzoek?

„Grafeen heeft heel goede eigenschappen voor het geleiden van elektronenspins. En daarvan hebben wij natuurlijk geprofiteerd. Het bleek verreweg het beste materiaal voor het transporteren van spins. De elektronenspins verloren daarbij hun informatie niet. Ons spintronica-onderzoek richt zich momenteel op het digitaal vastleggen van informatie met elektronenspin. We willen die dus niet alleen passief uitlezen. Maar het bleek uiterst lastig om elektronenspin op grafeen te veranderen.”

Hoe is het u toch gelukt om informatie digitaal vast te leggen met elektronenspin?

„Wat met grafeen alleen niet gaat, lukt met andere tweedimensionale materialen, zogeheten halfgeleiders, waarvan de spin wel controleerbaar is. En daarvan maken wij dankbaar gebruik. De truc is eigenlijk om de eigenschappen van grafeen en die halfgeleiders te combineren. En dat hebben we dus onlangs gedaan. Grafeen geleidt altijd, maar die geleiding kun je niet uitzetten. Met de halfgeleider kun je miljarden spinvalves in- of uitschakelen.”

Met spintronica is het mogelijk om informatie permanent op te slaan met rondtollende elektronen, en die uit te lezen. Als nullen en enen op zogeheten magnetische bits. Net zoals op de harde schijf van een computer. Maar ook tijdelijk geheugen, het zogeheten RAM-geheugen, kan daarmee nauwkeurig worden aangestuurd.

Met zijn vakgroep van 25 man doet Van Wees fundamenteel onderzoek –„kennis vergaren om de kennis”– aan spintronica. „Twee mensen worden betaald door het Graphene Flagship Project.”

Dat fundamentele onderzoek kost veel geld. Met name door de inzet van een cleanroom, een ruimte waarin maximaal 1000 stofdeeltjes zweven per vierkante centimeter. Daarin staan apparaten die zo’n 500.000 euro per stuk kosten.

Ook aan materiaal is de vakgroep veel geld kwijt. Bijvoorbeeld gouden schakelingen aanbrengen op chips van 1,1 bij 1,1 centimeter via opdampen, kost jaarlijks bijna 1 kilogram goud, waarvan maar een fractie op de chips terechtkomt. Aan materiaal gaat elk jaar zo’n 50.000 euro op.

Hoe komen digitale opslagsystemen op basis van elektronenspin uiteindelijk op de markt?

„We werken samen met technologiebedrijven. We zeggen: kijk, hier hebben we een nieuwe schakeling. Die kun je uitlezen en gebruiken in bestaande elektronica. De industrie moet de technologie perfectioneren voor grootschalige productie, en laten zien of er een markt voor is. Dat is ons werk niet.”

Loopt u met uw onderzoek weleens tegen ethische problemen aan?

„Nee. Mogelijk brengen koolstofnanotubes gezondheidsrisico’s met zich mee. Er is een workpackage dat dit onderzoekt. Het is vervelend wanneer er straks een mooie grafeentoepassing komt, en iemand beweert: ik heb daardoor gezondheidklachten opgelopen.” De hoogleraar staat daar met Groningse nuchterheid in. „Wat mij betreft zijn die verplichte risicoanalyses wel een beetje doorgeslagen.”

Wat is momenteel uw grootste uitdaging?

„Die zit hem in het kleiner maken van de afmetingen van digitale opslagsystemen. Er bestaan al computers die over opslag met behulp van elektronenspin beschikken. Die zijn nog niet grootschalig verkrijgbaar op de consumentenmarkt, maar wel voor onderzoeksinstituten en universiteiten.”

----

Bart van Wees

Prof. dr. ir. B. J. (Bart) van Wees is sinds 1991 werkzaam op de Rijksuniversiteit Groningen (RUG). In 2000 volgde zijn benoeming tot hoogleraar van de vakgroep physics of nanodevices aan de universiteit.

Van Wees werd in 2009 verkozen tot lid van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en in 2014 werd hij ”fellow” van de the American Physical Society.

In 2016 kreeg de Groningse hoogleraar de Spinozapremie –de Nederlandse Nobelprijs– toegekend. En in augustus dit jaar werd hij benoemd tot ridder in de Orde van de Nederlandse Leeuw.

----

Om te onthouden

* Grafeen is een veelbelovend materiaal voor toepassingen in onder meer elektronica, composietmaterialen en wellicht medische toepassingen.

* In combinatie met halfgeleiders is grafeen geschikt voor het opslaan van digitale informatie.

* Het opslaan van de gegevens gebeurt met behulp van elektronen die in een bepaalde richting tollen.

* De vakgroep van Van Wees doet met name fundamenteel onderzoek en laat het aan bedrijven over of zij er een product van kunnen maken voor de consumentenmarkt.

----

Drie stellingen

1 Geloof speelt geen enkele rol in de uitoefening van mijn beroepspraktijk.

„Inderdaad. Of ik wel of niet geloof in God speelt geen enkele rol bij mijn onderzoek.”

2 Een Bijbelgetrouw christen loopt tegen spanningsvelden aan wanneer deze werkzaam is mijn vakgebied.

„Nou nee. Daar kan ik me weinig bij voorstellen. Wij gebruiken hier alleen maar stoffen en apparaten. En ons onderzoek komt in principe ten goede van de mensheid.”

3 Ik kijk als wetenschapper met mijn eigen levensbeschouwelijke bril naar mijn vakgebied.

„Ja, maar op een andere manier dan u bedoelt. Mijn punt is: aan welk type onderzoek moet de maatschappij haar geld uitgeven? Is dat aan een volgende generatie mobiele telefoontjes, aan het vinden van het volgende zwarte gat of het volgende onbekende deeltje? Hoe verder je kijkt in het de ruimte, hoe verder je ook teruggaat in het verleden. Leer je door dat onderzoek dan ook meer over het heden? Dat vind ik hoogst twijfelachtig.

Wij kijken vooral naar de toekomst. Wij doen ons onderzoek op een terrein dat ten nutte komt van de gehele mensheid. Voor medisch onderzoek geldt dat evengoed.

Als je dan toch moet kiezen waar het onderzoeksgeld heen gaat, dan zeg ik: doe iets ten nutte van de mensheid. Ik hoef er hier nooit over na te denken of er uiteindelijk iemand iets vervelends met ons onderzoek gaat doen. En dat vind ik heel prettig.”