Polymeren moeten zelf chips maken

In 2000 ging de Nobelprijs voor Chemie naar de Amerikanen Alan J. Heeger en Alan G. Macdiarmid, beiden verbonden aan de University of Pennsylvania, en de Japanner Hideki Shirakawa voor het ontwikkelen van macromoleculen of polymeren die elektrische stroom geleiden. Volgens de motivatie van het Zweedse Nobelcomité openden de onderzoekers de toegangspoort naar een nieuwe en zeer veelbelovende technologie: de supramoleculaire architectuur, ofwel de zichzelf ordenende plastic elektronica. Geen nanohype De aloude transistor nadert het einde van zijn levenscyclus. Het plafond is bijna bereikt. Nòg kleiner en sneller kan bijna niet meer. Welke kant moet het op met de computers van de toekomst? Supersnel galliumarseen als alternatief voor silicium? Moeilijk te maken en dus te duur. Supergeleidende josephsonschakelaars bij het absolute nulpunt? Te exotisch en niet levensvatbaar. Kwantumcomputers desnoods? Nog een lange en moeizame weg te gaan zolang we de onbegrepen kwantumeffecten niet naar onze hand kunnen zetten. (Half)geleidende polymeren dan maar? Het ‘maakbare’ molecuul als schakel­ en geheugencomponent? Direct na de uitreiking van de Nobelprijs voor Chemie zagen veel ‘traditionele’ onderzoekers en commentatoren een bui hangen. Zoals de technologiegoeroe G. Pascal Zachary, die ‘molecular computing’ in het vakblad Technology Review als een nanohype onder het vloerkleed schreef: "Leuk, zo’n schakelend molecuul, maar niemand kan vertellen hoe ketens van miljarden schakelende moleculen in gestapelde vlakken van enkele atomen dik onderling kunnen samenwerken zoals in de gewone geheugenchip. En zichzelf assemblerende circuits behoren tot het domein van de science fiction, maar dan van de allerslechtste soort." Zachary verkeek zich echter op de snelheid waarmee de moleculaire elektronica zich zou gaan ontwikkelen. Lange ketens van samenwerkende polymeren zijn gemaakt. In Nederland nota bene. En voor de eerste zichzelf assemblerende circuits hoeven we niet ver van huis. Naar Mainz, naar het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek om precies te zijn. Nederland speelt geen onbeduidende rol in de nieuwe supramoleculaire technologie. Het Natlab van Philips ontwikkelde al eerder uit polymeren het oprolbare kleurenbeeldscherm en bevindt zich internationaal in de voorste gelederen van de polymerenelektronica. De Rijksuniversiteit Groningen mag zich onderzoeksleider in de wereld noemen bij het ontwerpen van supramoleculaire architecturen en apparaten. Onder ‘apparaten’ verstaan we toegesneden procescomputertjes voor meet­ en regeltoepassingen die bijvoorbeeld in pacemakers en in combinatie met micromechanische systeempjes dienstbaar kunnen zijn. Onderhuids "Deze kleine kunststof computertjes en apparaatjes zijn in eerste aanleg voor medisch­technische toepassingen als pacemakers, dialysefilters en onderhuidse doseerautomaatjes veelbelovend", zegt de chemicus Maarten van den Boogaard (27) die op 17 januari van dit jaar aan de Rijksuniversiteit Groningen promoveerde op de moleculaire stroomdraad als verbindingsschakel tussen samenwerkende apparaten. Zijn polymere ‘stroomdraden’ maken de apparaten helemaal van plastic, inclusief de verbindingen die tot dan toe met zeer dunne zilver­ en gouddraadjes tot stand werden gebracht. Als ‘connector’ tussen draad en apparaat gebruikt hij één kneedbaar molecuul dat zich ‘vanzelf’ tussen draaduiteinde en apparaat voegt. ‘Helemaal vanzelf’, als torens van opgestapelde munten, vormen zich ook de zogenoemde nanocylinders waarmee het voornoemde Max Planck Instituut onlangs naar buiten trad (zie figuur). In plaats van uitsluitend elektronen kunnen geïsoleerde nanocylinders met een actieve diameter van slechts drie nanometer naar willekeur elektronen of lichtpakketjes of combinaties van beide vervoeren: een hoogst interessante nieuwe toepassing waartoe ‘traditioneel’ koper of glas niet in staat is. _Monomeren en polymeren zijn zeer ‘grote’ of macromoleculen waarvan kunststoffen worden gemaakt. De moleculen zijn in hoge mate maakbaar zodat de eigenschappen van plastics en kunststoffen vooraf kunnen worden bepaald. Aanvankelijk behoorden macromoleculen tot de niet­geleiders of isolatoren totdat de Nobelprijswinnaars geleidende en halfgeleidende polymeren konden maken. Een andere eigenschap van monomeren en polymeren is dat de moleculen zich spontaan formeren en laten samenvoegen in georganiseerde verbanden. Gebeurt dit met moleculen met gewenste elektrische en elektronische eigenschappen, dan kunnen zich velden van cellen vormen waarbij elke cel zich als een transistor gedraagt. Een geheugenchip in principe, maar dan met geheugencellen die één tot enkele nanometers klein zijn. In principe kunnen deze geheugenchips ook ‘aan de rol’ en in ‘strekkende meters’ worden gefabriceerd. Verkoopprijs: naar schatting 5 eurocent per 1024 K chip bij grote afnamen, inclusief btw. Maar zo ver is het nog lang niet. De technologie ligt nog in de luiers en heeft, net als de micro­elektronica na de uitvinding van de transistor in de jaren vijftig, nog een lange weg te gaan. Dat neemt niet weg dat de onderzoekssuccessen in de polymere architectuur tot dusver indrukwekkend zijn. Zoals de stroomdraad van Van den Boogaard die hiervan een fraai voorbeeld is. Zijn probleem was niet zo zeer geleidende polymeren tot lange ketens te schakelen maar om de draad en de zich daarin bewegende elektronen (bits) van de buitenwereld af te schermen. Bij de koperdraad zorgt de dunne coatinglaag daarvoor en bij de glasvezel de mantel. Deze beschermlagen worden in laatste instantie aangebracht. Van den Boogaard werkte in omgekeerde volgorde. Eerst formeerde hij de ‘coating’ in de vorm van een zeer dunne buis opgebouwd uit monomeren en met een diameter van één nanometer. Het volgende probleem was het vinden of maken van de goed geleidende polymeren die precies in de buis pasten en zich daarin tot geleidende ketens lieten samenvoegen. Toen dat was gelukt, bevestigde hij aan de uiteinden van zijn verbindingsdraad één op maat gesneden molecuul dat als connector tussen draad en ‘apparaat’ dienst kon doen. Grote winsten Inmiddels is of wordt de praktische kant van de polymere elektronica driftig opgepakt door grote bedrijven als IBM, Philips, Sony/Seiko, Epson, Lucent Technologies, Bell Labs en nieuwe gespecialiseerde bedrijven. Ze ruiken grote winsten en houden rekening met een herhaling van het epos dat zich in de jaren zeventig en tachtig in Silicon Valley heeft voltrokken. In de nieuwe wedloop zetten technische universiteiten en onderzoeksinstituten als het Max Planck Instituut en het California Institute of Technology de parcoursen uit. De geschiedenis herhaalt zich in zoverre dat de plastic elektronica klein en bescheiden moet beginnen. Zo werkt Bell bijvoorbeeld aan plastic chips met p­ en n­type transistors voor een nieuwe techniek, waarmee zowel tekst als elektronische functionaliteit op plastic wordt gedrukt. Toepassingen: labels voor bagage, die behalve visueel ook elektronisch kan worden opgespoord. Of: prijslabels in de vakken van supermarkten die op afstand aanpasbaar zijn, en etiketten op producten die door de scanner op het winkelwagentje van de klant worden verwerkt. De aspiraties van het Noorse bedrijf Opticom ASA liggen al een stuk hoger. Opticom legt zich toe op isolerende, geleidende en halfgeleidende polymeren en ontwikkelt pc­geheugenkaarten die harde schijven kunnen vervangen en waarin de geheugenvelden in meervoudige lagen worden opgebouwd. Een prototype van zo’n kaart kan een gigabyte aan gegevens bevatten met een gegevensoverdrachtssnelheid van 0,5 GB per seconde en een toegangstijd van 50 nanoseconde. De geheugens van Opticom worden ontwikkeld in samenwerking met Lucent, de connectorfabrikant AMP Inc. en het Zweedse Thin Film Electronics AB. Afhankelijk van de polymeereigenschappen kan het type computergeheugen worden bepaald: Rom (read only meory), Worm (write once read many) of erasable zoals op hard disk en CD­RW. De opslagcapaciteit van Rom als potentiële vervanger van CD­R en DVD ligt al in de orde van enkele terabytes. Dat klinkt veelbelovend maar het ontwerpen en maken van zichzelf ordenende circuits en microprocessors lijkt vooralsnog een onmogelijke uitdaging voor de architect van polymeren. De komende jaren zullen uitwijzen of de plastic computer gaat doorbreken of dat hij een plaatsje krijgt in het panopticum van technologische mislukkingen. Naast de josephsoncomputer in diepe winterslaap en de biologische denkmachine met DNA­chips is nog een plaatsje vrij. Zelfordening totchemo­elektronische structuren De ambitie van de polymere chemie om een partijtje mee te blazen in de computerresearch is gebaseerd op het vermogen van macromoleculen om zich repeterend (kettinggewijs) spontaan tot structuren te ordenen. Onder leiding van prof. Hans Wolfgang Spiess slaagden onderzoekers van het Duitse Max­Planck­Institut für Polymerforschung er in nanocylinders met elektrische, elektronische en opto­elektronische eigenschappen te bouwen waarin gewenste eigenschappen van polymeren, organische moleculen en kristallen worden samengebracht. De polymeren vormen aanvankelijk dendrieten of grillige kristalvertakkingen. Aan de uiteinden van de takken worden enkelvoudige chemische groepen bevestigd die zich als elektrische plus­ of minpolen gedragen, maar die in de chemie ‘donoren’ en ‘acceptoren’ worden genoemd. In de dendrieten vormen zich spontaan cirkelvormige moleculen die aan geldstukken of munten doen denken en die zichzelf opstapelen tot cilindervormige structuren waarin de organische moleculen als ‘donoren’ en de polymeren als ‘acceptoren’ dienst doen. Als eerste ‘toepassing’ ziet Spiess de automatische opbouw van vloeibare kristallen die in grote platte vlakken voorstellingen in zeer hoog oplossend vermogen zichtbaar kunnen maken en waarin elk molecuul als pixel of beeldpunt dienst doet.