Reportage

Samen zijn nanodeeltjes anders dan in hun eentje

Natuurkunde Met nanodeeltjes kunnen nieuwe materialen gemaakt worden, doordat stoffen op deze minuscule schaal andere eigenschappen hebben dan we gewend zijn.

Elektronenmicroscopische foto van goud-nanodeeltjes op polymeervezels.
Elektronenmicroscopische foto van goud-nanodeeltjes op polymeervezels. Foto VSParticle

Het is een behoorlijke herrie in het lab van VSParticle in Delft. Er staat een vacuümpomp aan en we horen een hoog, tikkend geluid. Op een tafel staat een buisvormig apparaat van ongeveer 40 centimeter lang en 5 centimeter breed. Van bovenaf kun je erin kijken. Daar gloeit een vonkje. „Dat tikkende geluid komt van het elektrische vonkje”, zegt Aaike van Vugt, een van de oprichters van het techbedrijf.

Het apparaat is de VSP-G1 Nanoparticle Generator. Het produceert anorganische nanodeeltjes: minuscule bolletjes van enkele nanometers klein, gemaakt van anorganische materialen (die geen koolstof bevatten). Nanodeeltjes, van één tot honderd nanometer groot, kunnen gemaakt zijn van allerlei materialen of mixen van materialen. Een nanometer is een miljoenste van een millimeter. Een menselijke haar is ongeveer 80.000 nanometer dik. Kleine deeltjes hebben in verhouding tot hun volume een groot oppervlak waarmee ze met hun omgeving kunnen reageren. Ze worden daarom veel gebruikt in de chemische industrie als katalysatoren, om reacties sneller te laten verlopen. De laatste jaren is er ook steeds meer interesse voor nanodeeltjes in hightech toepassingen, zoals elektronica en nieuwe materialen voor bijvoorbeeld batterijen en zonnepanelen.

Een nanodeeltje goud is niet langer goudkleurig. Afhankelijk van de afmetingen is het rood, blauw of zelfs doorzichtig

De generatoren van VSParticle kunnen ongeveer tweederde van het periodiek systeem aan materialen verwerken tot nanodeeltjes. De anorganische grondstoffen moeten aan twee eisen voldoen: vast zijn bij kamertemperatuur en stroom geleiden (of geleidend gemaakt kunnen worden). Er bestaan ook organische nanodeeltjes (bijvoorbeeld afkomstig van eiwitten), maar de Nanoparticle Generator kan geen natuurlijke polymeren tot nanodeeltjes verwerken, die gaan kapot in deze machine.

Met nanodeeltjes kunnen nieuwe materialen gemaakt worden, omdat stoffen op deze minuscule schaal andere eigenschappen hebben dan we gewend zijn. Een nanodeeltje goud is bijvoorbeeld niet langer goudkleurig. Afhankelijk van de precieze afmetingen is het rood, blauw of zelfs doorzichtig. En goud zoals wij het kennen geleidt elektrische stroom, maar als je er bolletjes van twee nanometer of kleiner van maakt, dan wordt het een isolator. Ook smeltpunten kunnen veranderen. Zo blijkt koper op deze allerkleinste schaal vloeibaar bij kamertemperatuur.

„Die verandering van eigenschappen ontstaat doordat zulke kleine nanodeeltjes maar uit een paar atomen bestaan”, zegt Van Vugt. „Het is vergelijkbaar met de groepsdynamiek van mensen.”

In je eentje in een kamer gedraag je je anders dan wanneer er iemand binnenkomt. Zodra er iemand binnenkomt, nog voor je gedag hebt gezegd, verandert er iets. Bovendien maakt het uit wie het is: een man, een vrouw, iemand die je niet kent. Je gedrag en de groepsdynamiek veranderen weer als er een derde persoon binnenkomt, of een vierde, een vijfde enzovoorts. De eigenschappen van de groep veranderen door de soort mensen en door het aantal mensen. Tot bijvoorbeeld een festivalterrein met duizenden mensen. Dan verandert de dynamiek niet als er iemand bijkomt of weggaat. Van Vugt: „Tenzij het de dj is die het podium oploopt.”

Datzelfde geldt voor atomen. Eén goudatoom heeft bepaalde fysische eigenschappen. Als je daar een tweede atoom bijvoegt dan gaan de elektronen die bij de atomen horen in banen rondom beide atoomkernen heen slingeren. Zo gaan ze een fysieke reactie aan waardoor de eigenschappen veranderen. Die veranderen weer als je er een derde, vierde en vijfde atoom toevoegt. Pas bij tienduizenden atomen stopt dat. Dan verandert het toevoegen of weghalen van een enkel atoom de eigenschappen van het materiaal niet meer. Daarnaast kun je ook spelen met verschillende materialen, door bijvoorbeeld tien goudatomen te combineren met vijftien zilveratomen. Dat levert nanodeeltjes op met weer andere fysische eigenschappen.

Door de samenstelling en grootte van nanodeeltjes die uit een handvol atomen bestaan te veranderen, kun je dus onvoorstelbaar veel materialen ontwerpen met specifieke eigenschappen. „De meeste zijn zo nieuw dat de precieze eigenschappen onbekend zijn”, vertelt Van Vugt. „Er zullen geen heel gekke, nieuwe eigenschappen tussen zitten die we nog nooit eerder gezien hebben, maar er kunnen wel deeltjes tussen zitten met combinaties van eigenschappen die heel nuttig zijn in bepaalde hightech producten, zoals nieuwe, betere batterijen of zonnepanelen.”

Chemisch kookproces

Nanodeeltjes worden in principe gemaakt via een chemisch synthetisch ‘kookproces’. Het ontwikkelen van een syntheseproces dat nanodeeltjes van een constante kwaliteit maakt, kan maanden tot jaren duren. Dat komt doordat de techniek erg gevoelig is: als je de temperatuur iets te ver verhoogt, dan krijg je al grotere of kleinere deeltjes, met net andere eigenschappen. Vervelend, want voor onderzoek is constantie belangrijk.

Dat chemische kookproces is bovendien voor elk nanodeeltjes anders. Als een onderzoeker een deeltje ontdekt met nuttige toepassingen, dan moet dat complexe proces ook nog opgeschaald worden voor de industrie.

De techniek achter VSParticle is niet chemisch, maar fysisch. In de machine worden met hoogspanning elektrische vonken gegenereerd tussen twee elektroden. Die elektroden bestaan uit het materiaal waarvan je nanodeeltjes wilt maken. De temperatuur in die vonkjes loopt op tot ruim 20.000 graden Celsius. Daar waar de vonk ontstaat of inslaat, wordt het materiaal zo heet dat het verdampt. Als je goudstaafjes gebruikt, dan ontstaat er een gaswolk van losse goudatomen. Door dat gas snel af te koelen, groeien uit die losse atomen gouden nanodeeltjes.

De deeltjes groeien totdat ze geprint worden op een gewenste ondergrond (bijvoorbeeld een gassensor-chip). De tijd tussen het vormen van de wolk en het printen van de deeltjes bepaalt dus de grootte van de nanodeeltjes. Die grootte wordt gecontroleerd door het gas waarin de deeltjes vormen langzamer of sneller door de machine te laten stromen. Verder kun je de energie van de vonken variëren waardoor er meer of minder atomen verdampen. Om de grootte en dus het groeiproces heel nauwkeurig te controleren is er een uitgebreid wiskundig model gemaakt.

Over de veiligheidsrisico’s van anorganische nanodeeltjes is nog veel onbekend. Ze belanden in ieder geval niet alleen via elektronica in de natuur, maar komen bijvoorbeeld ook vrij bij het remmen van een auto. Nanodeeltjes zijn zo klein dat ze nauwelijks terug te vinden zijn. Ook kun je misschien niet meer spreken van een ‘los’ nanodeeltje als het opgenomen is in de grond of in planten. Wat voor invloed ze hebben is daarom lastig te voorspellen. „Er is nog veel onderzoek nodig om iets te kunnen zeggen over schadelijkheid voor het milieu”, vertelt Van Vugt. VSParticle is betrokken bij een onderzoek naar de invloed van anorganische nanodeeltjes op het menselijk lichaam.

Daarnaast kijkt ontwerper Eva Rennen bij het bedrijf naar manieren waarop nanodeeltjes bij kunnen dragen aan de energietransitie en aan verduurzaming. „Ik onderzoek bijvoorbeeld hoe metalen optimaler gebruikt en gerecycled kunnen worden door ze vanaf nanodeeltjes op te bouwen.” Ze wijst naar de hippe bijzettafeltjes, gemaakt van oude metalen tonnen, waar we naast zitten. Rennen: „Dit wordt gezien als materiaal met weinig waarde; schroot. Ze zijn functioneel, maar dat is het. Maar in potentie kunnen ze omgezet worden in nanodeeltjes waar je iets heel nuttigs van kan maken.” Van Vugt: „Er bestaat dan geen schroot meer, ijzeren vaten kunnen makkelijk omgevormd worden tot nieuwe hoogwaardige materialen die verwerkt kunnen worden in bijvoorbeeld nieuwe zonnepanelen.”