Chemie op vierkante nanometer

Steeds verder dringen chemici en natuurkundigen de wereld van het allerkleinste binnen. Voor het manipuleren van atomen en moleculen met de vlijmscherpe punt van een Scanning Tunneling Microscoop (STM) draait al niemand zijn hand meer om. Heel onlangs echter is een groep chemici van de universiteit van Californië in Berkeley er voor het eerst in geslaagd om ook een chemische reactie op de schaal van een enkel molecuul te laten plaats vinden. Ook voor dit 'nanostaaltje' werd dankbaar gebruik gemaakt van een scherpe tip, dit keer van een AFM, een atomaire krachtsmicroscoop (Science, 7 april).

Veel belangrijke chemische reacties spelen zich af aan het oppervlak waarop speciale metaalatomen als 'reactieversneller' fungeren. Dergelijke heterogene katalysatoren worden bijvoorbeeld gebruikt bij het kraken van zware olieresten. In het experiment dat onlangs in Berkeley werd uitgevoerd, werd platina als katalysator gebruikt. Het is al lang bekend dat op dit edelmetaal heel efficiënt vrije waterstofatomen aan andere atomen kunnen worden gekoppeld. De slimme truc was nu om gebruik makend van een met platina bedekte AFM-tip heel lokaal - tot op de nanometer nauwkeurig - dergelijke hydrogeneringsreacties te laten plaatsvinden. Allereerst werd de uitgangsstof als een flinterdunne laag van slechts een molecuul dik neergelegd. Een speciale techniek zorgde ervoor dat de moleculen hierin ook nog eens allemaal met hun reactieve staarten omhoog kwamen te staan, als halmen in een korenveld. Wanneer de met waterstof bedekte platina-tip vlak vlak hierboven werd neergezet vond er een reactie plaats. Door de tip heen en weer te scannen werd een miniem 'blokje' moleculen omgezet, waarna het reactieproduct met behulp van fluorescentie kon worden aangetoond. Dergelijke experimenten zouden in de toekomst wel eens inzicht kunnen gaan verschaffen in vragen als hoe lang een contact op een katalysator moet duren alvorens er een reactie optreedt. Maar ook op technologisch gebied liggen er uitgebreide mogelijkheden. De tip van de microscoop kan bijvoorbeeld worden gebruikt om langs chemische weg nanostructuren te bouwen.

Er zijn echter nog wel wat problemen. Zo pikt de tip af en toe wat vervuiling op, waardoor de gewenste chemische reacties niet meer plaats kunnen vinden. Daarnaast kan de AFM niet echt snel scannen, zodat massaproduktie op nanoschaal nog wel even op zich zal laten wachten.