VACUUMVIDEO'S

Wat is de overeenkomst tussen Nederland en een ultra-hoog vacuümsysteem? Met dit raadseltje opende de voorzitter van de Nederlandse Vacuümvereniging het twaalfde Internationale Vacuum Congres. De 1200 experts uit 50 verschillende landen, bijeen gekomen in het Haagse Congrescentrum, hoefden niet lang te raden. Op het projectiescherm verscheen een dia van het monumentale gemaal de Cruqius en de voorzitter zei: aan Nederland en aan een ultra-hoogvacuümsysteem moet voortdurend gepompt worden om het in stand te houden.

Deze vergelijking was niet zo ver gezocht als hij op het eerste gezicht misschien lijkt. De eerste vacuümpomp, gebouwd in het midden van de zeventiende eeuw door Von Guericke uit Magdeburg, was niets anders dan een omgekeerde waterpomp zoals door de brandweer gebruikt werd in die tijd. Boyle en Hooke bouwden hun versie van de vacuümpomp in 1658-1659 in Engeland en Christiaan Huygens volgde in 1661 in Holland, met een eigen ontwerp maar volgens hetzelfde eenvoudige principe: het isoleren van een hoeveelheid lucht en het verwijderen ervan.

De vacuümpomp werd een van de vier belangrijke nieuwe fysische instrumenten uit de 17de eeuw, de andere zijn de microscoop, de telescoop en de pendule.

In hun congrestas in Den Haag vonden de deelnemers een verrassing: "Adventures in Vacuums' een boekje in opdracht van de congresorganisatie geschreven door dr. M.J. Sparnaay en uitgegeven bij Elsevier. Hierin worden 17 verschillende proeven met vacuüm beschreven die alle in de 17de eeuw werden gedaan. Een reuze idee, want nu kunnen de natuurkundige vragen en experimenten met vacuüm uit het verleden vergeleken worden met die van vandaag.

In de 17de eeuw dachten veel geleerden dat het kwik in de buis van Torricelli blijft staan omdat de natuur het vacuüm zo zeer verafschuwt dat zij zich verzet tegen het ontstaan van vacuüm boven in de buis. Deze "horror vacui' zou het kwik in de buis omhoog houden. Pas toen Pascal de proeven van Torricelli gereproduceerd had en ook nog op de top van de Puy de Dome een lagere kwikkolom werd waargenomen dan onderaan de berg, wilde men geloven dat het kwik in de buis omhoog gedrukt wordt door de luchtdruk. Thans wordt Pascal geëerd doordat de eenheid van druk naar hem vernoemd is (1 atm. is ongeveer 100.000 Pa).

Met de buis van Torricelli en met de eerste vacuümpompen werden spectaculaire demonstraties gegeven. Proeven die vooral bedoeld waren om het vacuüm zelf te bestuderen en om de eerste metingen te doen van de luchtdruk, waarbij ook reeds de invloed van het weer op de gemeten luchtdruk ondekt werd.

Barometers werden al voor het eind van de 17de eeuw commercieel verkrijgbaar. De wet van Boyle (voor een bepaalde hoeveelheid gas blijft het produkt van druk en volume constant, mits de temperatuur niet verandert) stamt uit die tijd. De proef met de Magdeburger halve bollen maakte duidelijk dat paardenkrachten verborgen lagen in de atmosfeer.

Huygens stelde voor die te mobiliseren ter verlichting van menselijke arbeid en hij ontwierp een explosiemotor waarmee gewichten konden worden opgetild. Chemische en biologische proeven toonden aan dat een kaars uitgaat en planten en kleine dieren het niet overleven als ze onder een klok worden geplaatst die daarna wordt leeggepompt. Ook experimenteerde men met de voortplanting van licht, geluid en warmte in vacuüm en met elektriciteit en zwaartekracht. De meeste proeven werden in het openbaar gedaan of voor collegae op de speciaal voor dit doel opgerichte academies voor wetenschappen. Dit was de begintijd van de proefondervindelijke wetenschap.

Het was niet altijd ongevaarlijk. In de Academie van Parijs evacueerde Huygens een glazen cylinder acht maal zonder dat hij brak, maar een vierkante glazen stolp brak al na de vierde keer en stukken glas vlogen meters door de zaal.

Na een aanvankelijke bloeiperiode tot in het begin van de 18de eeuw is er honderd jaar weinig opzienbarends te melden over het onderzoek met vacuüm. Wel werden er veel proeven in het openbaar gedaan, maar het ging steeds vaker om het spektakel in plaats van het oplossen van een wetenschappelijke vraag. De vragen die gesteld werden, daarvan kon men niet verwachten een oplossing te vinden: wat is het wezen van de zwaartekracht, van warmte, koude, magneten, licht en kleur, wat is de samenstelling van lucht, water en vuur? Men vroeg zich af waarom dieren ademen en hoe metalen, stenen en planten groeien?

In deze periode van 100 jaar bleef men nog steeds vacuümpompen gebruiken die volgens hetzelfde principe werkten als de pompen uit de 17de eeuw. Daarom kon men geen beter vacuüm bereiken dan 100 Pa. Pas in het midden van de 19de eeuw werden nieuwe typen kwikpompen ontwikkeld waarmee een druk van 0,001 Pa bereikbaar werd. Dit maakte de weg vrij voor de ontwikkeling van de gloeilamp in 1879 en de ontdekking van het elektron in 1897.

Op de conferentie in Den Haag werden vacuümsystemen gepresenteerd die zo goed als leeg zijn. Men kan er één atoom of één elektron in opslaan en ze ongestoord uren blijven bestuderen. Om zo'n ultra-hoog vacuüm te bereiken zijn er nieuwe cryo-pompen ontwikkeld die vrijwel alle atomen en moleculen vastvriezen op een koude plek in de pomp. Het vacuümsysteem moet gebouwd worden van hele nieuwe materialen die weinig ontgassen en er moet zeer gevoelige meetapparatuur beschikbaar zijn om de enkele atomen en moleculen die nog in het vacuüm aanwezig zijn te herkennen.

De ontwikkeling van ultra-hoog vacuüm is vooral gestimuleerd door de micro-elektronica. De verdere miniaturisering maakt het noodzakelijk om alle processtappen bij het maken van de chip in een superschone omgeving, d.w.z. in een ultra-hoog vacuümsysteem, uit te voeren. Met bundels atomen en moleculen in ultra-hoog vacuüm worden de nieuwste elektronische schakelingen atoom voor atoom opgebouwd. Met bundels snelle deeltjes worden de elektrische en optische eigenschappen van de atoomlagen naar believen aangepast. Door atoom voor atoom uit een oppervlak weg te schieten worden er minuscule gaatjes geëtst en ook worden deze weer gevuld met andere atomen. Zo werken de moderne fysici, chemici en ingenieurs samen bij het vervaardigen van ultra-snelle elektronica, miniatuur lasers, micro-motoren, kunstmatige diamantlaagjes en magnetische materialen van enkele atomen dik voor de opslag van informatie.

De micro-elektronica stimuleert niet alleen de onderwerpen van onderzoek maar ook de wijze van presenteren. In elke zaal van het congrescentrum in Den Haag werden video's vertoond waarop men de beelden kon zien die met de moderne microscopen kunnen worden gemaakt van de beweging van moleculen in chemische reacties, of het stapelen van atomen bij de bouw van nieuwe schakelingen, of het wegschieten van atomen bij het etsen van gaatjes in een oppervlak, of het schrijven van nullen en enen in enkele atoomlagen magnetisch materiaal. De congreszalen van vandaag zijn de academies van vroeger waar de geleerden hun proeven doen terwijl de vakgenoten er met hun neus bovenop staan.

    • Frans W. Saris