B.2 De nano van nanotechnologie

Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Theoretisch deel
NANOtechnologie
-1-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Inhoudsopgave
Pag.
Wat weet je er al van, starttoets
4
Onderdeel A
5
§ A.1 Wat is wetenschap
6
§ A.2 Wat zijn natuurwetenschappen?
6
§ A.3 Wat is het nut van natuurwetenschappen?
6
§ A.4 Hoe doe je dat, wetenschap?
7
Onderdeel B
9
§ B.1 Machten van tien
8
§ B.2 De nano van nanotechnologie
11
Onderdeel C
16
§ C.1 Het woord nanotechnologie
16
§ C.2 In de wereld van nano
17
§ C.3 Verassingen op nanoschaal
19
§ C.4 Nano en kwantummechanica
21
§ C.5 Nanotechnologie en wetenschap
21
Ondrdeel D
24
§ D.1 De cleanroom of stofarme ruimte
24
§ D.2 Het maken van nanomaterialen
28
-2-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
§ D.2.a De top-down methode
28
§ D.2.b De bottum-up methode
32
§ D.3 Het zichtbaar maken van nanomaterialen
34
§ D.3.a Transmissie electronenmicroscoop
35
§ D.3.b Rasterelectronenmicroscoop
35
§ D.3.c Rastersondenmicroscoop
36
Onderdeel E
39
§ E.1 Toepassingen en gevaren van nanotechnologie
39
§ E.1.a Zonnebrandcrème en nano
39
§ E.1.b Het lotus effect
42
§ E.2 Nano een Hype
44
Afsluitende enquete
47
Bronnenlijst
Illustratieverantwoording
Internet sites
Filmfragmenten
48
-3-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
WAT WEET JE ER AL VAN?
Beantwoord onderstaande vragen. Wellicht kun je nu nog niet
alle vragen beantwoorden, dat is niet erg. Als je klaar bent met
deze module, probeer je het nog een keer en je zult zien dat je
dan veel geleerd hebt.
NANOTECHNOLOGIE
Startenquête
1. Heb je al eens gehoord van nanotechnologie?
2. Wat is nanotechnologie volgens jou?
3. Noem verschillende voorbeelden uit het dagelijks leven, waarin
nanotechnologie al wordt toegepast.
4. Waarom is nanotechnologie zo interessant?
5. Welke nadelen/risico’s zijn aan nanotechnologie verbonden?
6. Hoe goed zijn de mensen in je omgeving (familie, vrienden,
kennissen) op de hoogte van nanotechnologie?
-4-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Onderdeel A
Voordat we aan de gang gaan met nanotechnologie moet je eerst weten wat
technologie eigenlijk is. Wat is wetenschap? Welke wetenschappen zijn van belang
bij nanotechnologie en hoe beoefen je wetenschap eigenlijk?
§A.1 Wat is wetenschap?
De Latijnse naam voor wetenschap is scientia. Je vindt dit nog terug in het engelse woord
voor wetenschap namelijk science.
Wetenschap is het menselijke streven om zijn omgeving te doorgronden. De wetenschap
schept een model van zijn omgeving door deze te bestuderen in termen van waar of onwaar.
Opgave:
1. Beschrijf de klas zo nauwkeurig mogelijk. Maakt de beschrijving niet groter
dan 10 regels. (Dit kan zowel het lokaal zijn of de leerlingen)
Wie de wetenschap beoefent wil zo uitgebreid mogelijk de werkelijkheid beschrijven.
 Wetenschap is alles willen weten over een bepaald onderwerp
 Wetenschap is zoeken naar nieuwe kennis
 Wetenschap is het proefondervindelijk vaststellen en controleren van feiten.
§A.2 Wat zijn natuurwetenschappen?
Eigenlijk zegt het woord het al natuurwetenschappen bestuderen de natuur. Je kunt deze
wetenschappen onderverdelen in verschillende gebieden. Een aantal namen van
wetenschappen ken je al. Je volgt ze zelfs al op school.
Hier onder volgen de beschrijving van de vakken die je al kent.
Definitie scheikunde :
Scheikunde of chemie is de wetenschap die de samenstelling en bouw
van stoffen bestudeerd. In de scheikunde ga je kijken hoe de stoffen met
elkaar reageren, hoe ze onder bepaalde omstandigheden veranderen (in
nieuwe stoffen) en aan welke wetten de stoffen voldoen. De voorloper
van scheikunde heet alchemie. De alchemisten wilden heel graag twee
dingen uitvinden. Hoe je lood kon omzetten in goud (dan zou je
ontzettend rijk zijn). Hoe je onsterfelijk kon worden (dan kon je oneindig
-5-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
lang van al die rijkdom genieten).
Definitie natuurkunde:
De natuurkunde of fysica is van oorsprong de wetenschap die alle
verschijnselen in de levenloze natuur onderzoekt waarbij geen
scheikundige veranderingen optreden. Zo onderzoekt zij de algemene
eigenschappen van materie, evenwicht en beweging, straling, warmte,
licht, magnetisme, elektriciteit en de bouw van materie.
Definitie biologie:
Biologie is de wetenschap van levende wezens, levensvormen en
levensverschijnselen. De term biologie is afkomstig uit het
(wetenschappelijke) Latijn, van het woord biologia. Dit is weer door de
wetenschappers geconstrueerd uit twee Oudgriekse woorden, namelijk
bios en logos. Bios betekent: het leven. Logos betekent: geleerd (lett.
"woord").
Er zijn nog wel meer natuurwetenschappen. Wat te denken van
Oceanografie: onderzoek van de oceanen
Kosmologie: onderzoek van het heelal
Opgave
2. Zoek via Internet minstens nog drie natuurwetenschappen en geef in eigen
woorden een definitie van deze wetenschappen.
§A.3 Wat is het nut van natuurwetenschappen?
Je weet al dat wetenschap een menselijk streven is om dingen in zijn omgeving te begrijpen.
Maar is dat genoeg? Wat leveren de natuurwetenschappen nog meer op. Hier komt een
nieuwe definitie om de hoek kijken namelijk die van technologie.
Technologie komt ook uit het Grieks. Het is samengesteld uit het woord voor "vakmanschap"
en het woord " betekenis". Bij de technologie worden de nieuwe natuurwetenschappelijke
ontdekkingen of andere georganiseerde kennis toegepast of uitgevonden voor praktische
doeleinden.
Met andere woorden de technologie zet de kennis van de wetenschap om in handige dingen
zodat wij er allemaal profijt van hebben. Kijk maar naar de uitvindingen van de afgelopen
twee eeuwen.
Uitvindingen 19e eeuw: Een van de grootste ontwikkeling vervoer: fiets, stoommachine,
stoomtrein en stoomboot. Voor die tijd konden de mensen alleen van punt a naar b komen
door te lopen, met een boot of op een paard (eventueel wagen) of ander dier. De reistijd werd
door alle ontwikkelingen behoorlijk verkort.
-6-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Uitvindingen 20e eeuw: Een van de grootste ontwikkeling communicatie: computer, televisie
en mobiele telefoon. Nu is iedereen ieder moment van de dag bereikbaar en geïnformeerd wat
er zich waar ook ter wereld afspeelt.
Uitvindingen 21e eeuw: Wie zal het zeggen. Sommige mensen denken dat dit de eeuw is van
de ontwikkeling van de slimme omgeving. Een omgeving die zich ongevraagd aanpast aan
jouw wensen. Bijvoorbeeld: De verwarming staat aan op jouw temperatuur als je thuiskomt.
De lichten gaan aan in de kamer waar jij zit. De muur kleurt in je favoriete kleur. Je ontbijt
staat vers op de tafel als je in de keuken komt.
Opgave
3. Wat denk jij dat de grootste ontwikkelingen van de 21e eeuw worden. Geef
minstens drie voorbeelden van uitvindingen die ontwikkeld gaan worden
en die je ontwikkeling ondersteunen.
§A.4 Hoe doe je dat, wetenschap?
Hoe gaat een wetenschapper nu te werk als hij iets nieuws wil onderzoeken?
De werkwijze van de wetenschap wordt de wetenschappelijke methode genoemd.
Deze methode is de wetenschappelijk verantwoorde weg om kennis te verwerven.
Oké, je hebt iets nieuws waargenomen en je wilt weten hoe iets in elkaar steekt.Wat doe je
dan?
De methode gaat uit van verschillende stappen die steeds weer opnieuw doorlopen worden.
1. Je begint met een idee. Dit noem je een hypothese of voorspelling Ik verwacht dat er
bij dit onderzoek dit resultaat uitkomt.
2. Vervolgens ga je dit idee onderzoeken. Je verzint experimenten om je voorspelling
te onderzoeken
3. Je observeert de resultaten van je experimenten. Je gaat verschillende dingen meten
om meer te weten te komen
4. Je gaat je gevonden resultaten verwerken en analyseren. Wat is er uit mijn
experiment gekomen.
5. Vervolgens ga je conclusies trekken. Als ik dit experiment doe komt er het volgende
resultaat uit.
6. Als laatste ontstaat er een discussie. Zijn de resultaten waar of niet waar. Kun je de
resultaten herhalen . Komen bij andere wetenschappers dezelfde resultaten uit
hetzelfde experiment. Klopt mijn hypothese of komt er iets anders uit het experiment.
Praktische opdracht 1
Water verwarmen
-7-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Onderdeel B
Nano is heel erg klein, maar hoe klein precies?
§B.1 Machten van tien
Wie weet wat machten van tien zijn?
Uitleg machten van tien
Stel je hebt een stok van 10 meter lengte. Als een andere stok 10 keer langer is dan
betekend dat, dat de stok 10×10 =100m lang is. Een andere manier om dit op te
schrijven is 102. 2 want er staan twee nullen. Is weer een andere stok weer tien maal
zo langer is deze stok 10×10×10=1000 meter lang of 103 meter lang (3 nullen).
Een getal dat met zichzelf vermenigvuldigd wordt produceert een macht van dat getal.
Bijvoorbeeld 103 spreek je uit als tien tot de derde macht of tien tot de macht 3. Tien
tot de derde macht in plaats van 1000 te zeggen is niet gemakkelijker. Maar het is wel
gemakkelijker om 10 tot de macht 14 te zeggen dan 100000000000000 of honderd
biljoen. Als we een nog groter getal willen benoemen komen we zelfs namen tekort.
De 14 van 1014 heet een exponent. De notatie in machten noem je de exponentiële
notatie. De positieve machten 102, 103 enz. zijn gemakkelijk te begrijpen. Je
vermenigvuldigt het getal ieder keer met tien.
Maar je hebt ook negatieve exponenten 10-1,10-2. Als een exponent ons verteld hoe
vaak we een getal met zichzelf moeten vermenigvuldigen wat kan dit dan
betekenen?
Deze manier van schrijven heeft een negatieve exponent nodig om aan te geven
hoeveel keer je het getal door zichzelf moet delen.
10-1 betekent dus 1/10=0,1 (een tiende),10-2 betekent 0,1/10=0,01(een honderdste).
Een vermeerdering van de exponent met 1 betekent dus een vermenigvuldiging met
tien. Een vermindering van de exponent met 1 betekent dus een deling door tien. Het
is dus allemaal een kwestie van nulletjes plaatsen. Een nulletje achter aan een getal is
een vermenigvuldiging met tien, een nulletje meteen toevoegen achter de komma is
een deling door tien. Met de exponentiële notatie is dit nog duidelijker te zien.
Hoe zit het u met 100?
102 =100
-8-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
101 =10
10-1 = 1/10 = 0,1
10-2 = 1/100 = 0,01 (vermenigvuldigd of gedeeld door tien)
Het is dus logisch dat 100 gelijk staat aan 1 (nul nullen). Dat past ook precies in het
rijtje.
Elke macht van tien kun je tien keer groter maken door 1 bij de exponent op te tellen.
Dat hebben we al gezien. Als je 10 nu met 100 vermenigvuldigd moet je bij de
exponent 2 optellen.
Bijvoorbeeld:
10×100= 1000
101×102=103
Je kunt dus zeggen dat bij vermenigvuldigen van machten van tien met andere
machten van tien je de exponenten kunt optellen.
Het aftrekken van de componenten komt overeen met delen.
10000000/100000=100
107/105=10(7-5)=102
Nu kunnen alle machten en niet alleen machten van tien met een exponentiële notatie
geschreven worden. Zo is bijvoorbeeld 4000 = 4×103, 186000 = 1,86×105
Deze manier van schrijven wordt de wetenschappelijke notatie genoemd.
Je kunt met deze manier heel gemakkelijk grote en kleine getallen vermenigvuldigen
en delen.
-9-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Opgaven
1. Maak de volgende opgaven. Schrijf eronder steeds de opgaven in de
wetenschappelijke notatie:
Voorbeeld:
1001000 = 100000
102103 = 105
1010000 =
10/10000 =
1000,001=
0,01/0.0001 =
23500 =
25/25 =
0,750,46 =
0,75/0,25 =
100000000003456 =
24/100000000 =
2. Bereken de volgende opgaven. Schrijft alles alleen in de wetenschappelijke
notatie.
104106 =
104/106 =
10-2102 =
10-3/104 =
10-510-12 =
10-2/10-6 =
2,51005,0102 =
2,0102/5,0100 =
3,7610-34,110-1 =
4,510-2/5,010-4 =
3. Kun je uitleggen wat er fout is aan de volgende opgaven:
103104 = 1012
106/102 = 103
Wat is het goede antwoord?
-10-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
§B.2 De nano van nanotechnologie
Namen van getallen
Het is natuurlijk in orde om 3×109 te zeggen maar we communiceren niet alleen door
middel van cijfers. Veel getallen hebben namen. Dit is bijvoorbeeld drie miljard.
Hieronder volgt een tabel van verschillende namen, nieuwe en oude die uit
verschillende wiskundige tradities komen.
Hier zie je ook voor het eerst het woord nano verschijnen.
-11-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Zoals je in de tabel kunt zien is nano een voorvoegsel voor macht van tien namelijk
10-9 of 0,000000001.
Een nanometer is dus heel erg klein. Maar hoe klein is dat eigenlijk een nanometer.
Opdracht
Bekijk het filmpje Power of ten
Bekijk nu zelf op internet de volgende site, die het thema “machten van tien”
behandelt en ervaar zelf hoe klein 1 nanometer is:
http://www.haycap.nl/app-c/machten/machten.htm
Ter vergelijking
 1 nanometer komt overeen met de doorsnede van een eenvoudig molecuul, dat
opgebouwd is uit 10 atomen
 Zou men de doorsnede van een atoomkern vergroten tot 3 mm (dus zo groot
als een luciferkop), dan zou de elektronenschil een doorsnede hebben van 300
meter (zo hoog als de Eiffeltoren). Het om de atoomkern draaiende deeltje zou
nog altijd kleiner zijn dan een stofdeeltje (ca. 0,1 mm)
-12-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
 Een nanometer is het miljardste deel van een meter. Een nanometer is tien keer
zo groot als een waterstofatoom (kleinste atoom) en 50.000 keer kleiner dan de
doorsnede van een menselijke haar.
 Zou men alle atomen van een korreltje zout vergroten tot het kopje van een
kopspeld, dan zou je hiermee heel Europa met een 20 cm dikke laag kunnen
bedekken.
 Een nanometer verhoudt zich tot een meter als de doorsnede van een hazelnoot
tot onze aardbol.
Opgaven
4. Hierboven zie je een aantal voorbeelden die laten zien hoe klein een nanometer
eigelijk is. Maak nu zelf een vergelijking waaruit blijkt hoe klein een nanometer is.
5. Je hebt een meetlat die 30 cm lang is. Je woont 6 km van school.
a. Hoeveel keer kun je de meetlat leggen tussen je huis en de school
b. Hoeveel keer als de meetlat 3 m lang is
c. Hoeveel keer als de meetlat 3 micrometer lang is
6. Van Ella is een foto genomen toen zij haar eerste stappen zette. In het echt is zij 76
cm. Op de foto is zij 8 cm lang. Haar broertje Jan van drie hielp haar met haar
eerste stappen en staat ook op de foto. Op de foto is hij 10 cm lang. Hoe groot is
Jan in het echt?
7. Een mus weegt 3,5 ×10-2 kg een potvis weegt 6,0×104 kg. Je hebt de beschikking
over een hele grote wegschaal zoals in onderstaande tekening is afgebeeld.
Hoeveel mussen moet je aan een kant van de weegschaal zetten om in evenwicht
te zijn met een potvis.
8. De aarde is maar een klein onderdeel van ons zonnestelsel. De zon, de 9 planeten
met hun manen, de planetoïden en de kometen vormen samen ons zonnestelsel.
-13-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Onze zon is slechts één van de vele sterren uit ons melkwegstelsel (en ons
melkwegstelsel bevat 100 miljard sterren). Je kunt je dus wel voorstellen dat,
naarmate je hoger in de hiërarchie gaat, de afstanden enorm groot worden.
Binnen ons zonnestelsel wordt dan ook met een speciale eenheid gerekend: de
astronomische eenheid (AE). Eén AE is de gemiddelde afstand van de aarde tot de
zon en dat is ongeveer 150 miljoen km.
Als je een touw zou hebben van 1 AE groot. Hoe vaak zou je hem dan om de
evenaar van de aarde kunnen wikkelen?
Zoek zelf op hoe groot de omtrek van de aarde bij de evenaar is.
9.
Het bekende is eindig,
het onbekende oneindig.
Intellectueel staan wij op een eilandje
midden in een onbegrensde oceaan
van onverklaarbaarheid.
Onze taak in elke generatie is
een klein beetje land te winnen
(T.H. Huxley, 1887)
Tussen welke exponenten speelt het grootste gedeelte van de jouw bekende dagelijkse
wereld af (dus niet als je op vakantie gaat)? Geef dit aan met voorbeelden.
En tussen welke exponenten speelt de wetenschap zich af. Wat is het grootste dat we
kennen. Hoe groot is het allerkleinste dat er bestaat?
-14-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
10.
Hij toonde mij iets kleins,
ter grootte van een hazelnoot,
in de palm van mijn hand;
en het was rond als een bal.
Ik keek ernaar met het oog
van mijn verstand en vroeg me af:
wat kan dit zijn?
En het antwoord luidde ongeveer zo:
dit is de hele schepping
De kluizenaarster Juliana van Norwich, rond 1400
In dit stukje speelt Juliana met de termen groot en klein. Wat wil ze met dit stukje
tekst duidelijk maken.
Hoeveel machten zit een nanometer eigenlijk af van de wereld zoals we die om ons
heen zien. Om daar een gevoel over te krijgen maak je de volgende opdracht.
Praktische opdracht 2
Inleiding Machten van tien
-15-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Onderdeel C
Wat is er eigenlijk zo speciaal aan de nanodimensie dat er een hele wetenschap naar
vernoemd is. Wat maakt een nanodeeltje speciaal?
§C.1 Het woord nanotechnologie
Nu we weten hoe klein een nanometer is kunnen we ons gaan bezig houden met de
nanotechnologie. Maar wat is dat nu eigenlijk
Het woord nanotechnologie is opgebouwd uit verschillende woorden uit het Grieks,
•
νανος (nanos): dwerg
•
τεχνη (techni): vakmanschap
•
λογος (logos): woord, gedachte, beschrijving
Dus:
Nanotechnologie is een beschrijving van het vakmanschap van
de dwerg ???
Nou niet dus. Iedereen had een eigen definitie van wat nanotechnologie eigenlijk zou
moeten zijn en wanneer een deeltje een nanodeeltje was. Dat gaf natuurlijk
verwarring. Het is wel zo handig als iedereen dezelfde definitie hanteert zodat je weet
waarover iemand het heeft als hij het over nanotechnologie heeft. Op 7 februari 2008
heeft de EU de volgende definitie voor nanotechnologie bedacht. (Code of conduct
for responsible nanosciences and nanotechnologies research, EU commission
Recommendation, 07-02-2008)
•
Materie op de nanometerschaal heeft een afmeting tussen 1 nm en 100 nm.
•
Nano-objecten worden door de mens gemaakt.
•
Bedoelde en onbedoelde nano-objecten door de mens gemaakt tellen als
nanotechnologie
•
Natuurlijke nano-objecten, die dus door de natuur gemaakt worden, zijn van
deze definitie uitgesloten. Ze behoren niet tot de nanowetenschap of
nanotechnologie
-16-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Maar waar ligt het begin van nanotechnologie?
Opdracht
Bekijk het filmpje Richard Feynman Intro
Opgaven
1. Zoek via internet op wie Richard Feynman is. Waarom hoor je op de achtergrond
van het filmpje een bongo?
2. Richard Feynman is een beroemd didacticus. Wat is dat?
§C.2 In de wereld van nano
Als je stapt in de wereld van nano zul je merken dat er dingen anders zijn dan in de
onze. Hele kleine (nano-) deeltjes hebben ander eigenschappen dan grotere
hoeveelheden materiaal. Zo kan opeens het smelt en kookpunt (zoals bepaald in de
praktische opdracht 1) van een materiaal veranderen, of de breekbaarheid, de
magnetische reactie of de geleiding.
Een nanodeeltje van een stof reageert dus anders dan grotere hoeveelheden van die
stof.
-17-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Dat maakt het ook zo interessant voor wetenschappers om te onderzoeken. Als iets
anders reageert, kun je het gebruiken voor nieuwe ontwikkelingen. Je kunt nieuwe
materialen ontwikkelen met verbluffende eigenschappen zoals we later zullen zien.
Om beter te begrijpen waarom nanodeeltjes andere eigenschappen hebben moeten we
eerst iets meer weten van de ordening van deze deeltjes.
Hiervoor moeten we nog kleiner gaan naar de kleinste bouwstenen waaruit de materie
is opgebouwd. De moleculen en atomen.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Intermezzo moleculen en atomen
Je zult misschien nog niet weten wat moleculen of atomen zijn. Bekijk daarom de site
www.techna.nl
Atomen:
Onder stoffen
Kies alchemie en lees de tekst
Kies atomen
Bekijk de presentatie
Moleculen:
Onder Begrippen
Kies Fase
Bekijk de presentatie
Zuiver water bestaat uit slechts een soort moleculen, namelijk H2O-moleculen, die op
hun beurt weer bestaan uit een tweetal verschillende atomen (H en O)
Als water in een zuivere vorm voorkomt, dan heeft water karakteristieke
stofeigenschappen. Stofeigenschappen zijn eigenschappen die kenmerkend zijn voor
een bepaalde stof, dus waaraan je de stof kunt herkennen en identificeren.
Stofeigenschappen zijn bijvoorbeeld: oplosbaarheid, kleur, geur, dichtheid, smeltpunt,
kookpunt en zo verder.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
In onze nanowereld liggen de atomen en moleculen in geordende structuren. Als je
atomen of moleculen bij elkaar brengt blijven ze niet zomaar op een hoop liggen. Ze
organiseren zich tot bolletjes, plaatjes of kristallen. In het twee dimensionale vlak
ordenen ze zich in laagjes. In het driedimensionale vlak kunnen ze geordend zijn in
-18-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
rasters( vergelijkbaar met de bouw van een steiger), poreuze voortbrengsel (denk
bijvoorbeeld aan sponzen) of regelmatige structuren van deeltjes(vergelijkbaar met
dicht op elkaar geplakte tennisballen)
Zij doen dit helemaal automatisch, er komt geen kracht van buiten aan te pas. We
noemen dit proces zelfordening.
Een goed voorbeeld van zelfordening (ook wel zelforganisatie of zelfassemblage
genoemd) is het DNA.
Opgave
3. Zoek op Internet op wat DNA is en omschrijf wat je gevonden hebt (schrijf het
antwoord in je eigen worden). Zoek ook uit hoe DNA eruit ziet. Maakt hiervan een
tekening of voeg een plaatje aan je tekst toe.
Bij DNA werken 20 aminozuren, 5 basen, 2 suikers en 3 lipiden samen en vormen
helemaal zelfstandig het DNA molecuul. Je kunt dit vergelijken met verschillende
kleuren legoblokken die zichzelf opbouwen tot een bepaalde structuur.
De vorm van het DNA is zoals je in de opdracht hebt opgezocht, een dubbele helix.
§C.3 Verrassingen op nanoschaal
Bekijk het onderstaande plaatje. Er staat er staat linksboven een blokje ijzer
afgebeeld. Het ijzer is een kubus met alle zijden 1 cm lang.
-19-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Zoals je bij het intermezzo hebt kunnen zien bestaat ijzer uit allemaal ijzeratomen.
Die liggen netjes opgestapeld (net als tennisballen). Bij de kubus bevinden zich maar
0,00001 % van alle ijzeratomen aan het oppervlak. De rest zit aan de binnenkant van
de kubus.
In het volgende plaatje is de kubus een aantal keer doormidden gesneden. Nu liggen
er veel meer atomen aan het oppervlak van de kubus. Bij een kubus met zijden van
5nm ligt al 20 % van alle atomen aan een oppervlak.
Hoe kleiner de kubussen hoe meer atomen er aan de buitenkant van de kubussen
liggen. En laat het nou net de buitenste atomen zijn die een wisselwerking met de
omgeving hebben. Als er meer atomen aan de buitenkant liggen kunnen er dus meer
atomen reageren met andere materialen in de omgeving. Daardoor kan een blokje ijzer
met zijden van 1 cm hele andere stofeigenschappen hebben dan hele kleine kubussen
ijzer met zijden van 5 nm.
-20-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
§C.4 Nano en kwantummechanica
De natuurkunde die je hier op school krijgt noem je de klassieke
wetten van de natuurkunde. Alle dingen om je heen voldoen aan
deze wetten. Zo is er bijvoorbeeld de wet van de zwaartekracht.
Als de boom bijvoorbeeld een appel loslaat zal die naar de aarde
toevallen (alle andere dingen overigens ook).
Nanodeeltjes zijn zo klein dat ze ook te maken krijgen met een
heel andere natuurkunde de theorie van de kwantummechanica.
Opgaven
4. Zoek via internet op wat klassieke natuurkunde is. Beschrijf de gevonden term in
je eigen woorden
5. Zoek via internet op wat kwantummechanica is. Beschrijf de gevonden term in je
eigen woorden
6. Het bekendste verhaal over kwantummechanica is het verhaal van de kat van
Schrödinger. Zoek het verhaal op van de kat van Schrödinger. Lees het verhaal
goed door en noteer de belangrijkste trefwoorden. Wat is de bedoeling van dit
verhaal?
In de wereld van alledag is zoiets absurd, maar in de nanowereld is het doodgewoon.
Kwantumsystemen kennen een “superpositie” van toestanden. Ze kunnen met andere
woorden verkeren in verschillende toestanden, die elkaar in klassieke termen
uitsluiten (zoals levend en dood, aan en uit). Maar zodra we het deeltje gaan
observeren moet het “kiezen” voor één toestand.
De toestanden zoals “leven” en “dood” zijn op nanoschaal niet van toepassing. De kat
kan het beide zijn zolang je maar niet kijkt.
En omdat nanodeeltjes en laagjes ook de kwantumwetten volgen en niet alleen de
klassieke wetten hebben ze dus ook andere eigenschappen dan groter deeltjes van
dezelfde stof.
§C.5 Nanotechnologie en wetenschap
Nanotechnologie = multidisciplinair = vakoverstijgend
Nanomaterialen zijn voor zowat alle (technische) gebieden van grote betekenis: je
vindt toepassingen van de productie van lakken en kleuren, over de productie van
werkstoffen voor de automobielsector, de lucht- en ruimtevaart, de electronica- en
bouwsector tot de ontwikkeling van nieuwe medicamenten en medisch-technische
systemen, schoonheidsproducten en nog veel meer.
-21-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
In het onderstaande plaatje zie je hoe de vakken natuurkunde, biologie en scheikunde
(chemie) iets met nanotechniek te maken hebben. De rode lijn staat voor natuurkunde.
Zoals je zult zien in het volgende hoofdstuk probeert de natuurkunde de techniek
onder de knie te krijgen om alles steeds kleiner te maken, te miniaturisering.
Vanuit de biologie bekeken probeer je de processen die er in de natuur zijn te
begrijpen, na te bouwen en voor nieuwe producten te gebruiken. Bijvoorbeeld de
fotosynthese van bladeren voor het maken van zonnecellen (grätzer-cel).
Met behulp van chemie probeer je moleculen en atomen aan elkaar te koppelen zodat
er nieuwe materialen ontstaan.
Maar het blijft niet bij die drie vakken. Op nationaal en internationaal niveau werken
in bedrijven en aan universiteiten multidisciplinaire teams bestaande uit
scheikundigen, natuurkundigen, biologen, medici, wiskundigen, informatici,
materiaalwetenschappers en ingenieurs samen.
-22-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Hieronder staat een voorbeeld beschreven van hoe een dergelijk team werkt.
Voorbeeld:
“Chemici willen in het laboratorium uit bestaande stoffen nieuwe materialen
samenstellen. Het nieuwe materiaal bestaat uit onderdelen die maar enkele
nanometers groot zijn.
Ze testen de nieuwe stofeigenschappen eerst in kleine hoeveelheden en verbeteren
eventueel het productieproces. Samen met natuurkundigen en
materiaalwetenschappers worden de nieuwe materialen, die bv. als onderdelen van
metalen, kunststoffen of keramische delen moeten dienen, op de bruikbaarheid getest.
Daarnaast werken informatici mee door berekeningsmodellen en computersimulaties
te ontwikkelen, om de eigenschappen van het materiaal te voorspellen en de
simulatiegegevens met de resultaten uit de materiaaltesten te vergelijken. In
pilotexperimenten wordt vervolgens samen met ingenieurs een grotere hoeveelheid
van deze stof geproduceerd om conclusies te kunnen trekken voor de eisen voor de
productie op een grotere schaal.” (Bron: FCI: Nanobox)
Al vanaf het begin van de ontwikkelingsfase zijn ook andere nietnatuurwetenschappelijke beroepsgroepen bij het proces betrokken. Wanneer het
materiaal interessant blijkt te zijn voor de afnemer, wordt door bedrijfseconomen
getoetst of deze materialen economischer zijn dan de op de gebruikelijke manier
geproduceerde materialen. Is dat zo, dan begint de productie en de marketing.
Bij alle stappen, van het idee tot de toepassing van de nanomaterialen, spelen
natuurlijk ook veiligheidsdeskundigen een belangrijke rol. Ze bespreken en toetsen of
met de productie van het nanomateriaal gevaar voor mens en milieu zou kunnen
ontstaan. Op basis hiervan geven zij aanbevelingen voor de veilige omgang met het
materiaal tijdens onderzoek, productie en toepassing.
Zo zie je maar. Je hebt heel veel verschillende mensen met verschillende kennis nodig
om een nieuw product op de markt te zetten.
Praktische opdracht 3
Nano-oplossingen
-23-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Onderdeel D
Je hebt nu wel begrepen dat het interessant is om dingen te maken op nanoschaal.
Maar hoe doe je dat nou? En waar? En als je iets gemaakt hebt hoe controleer je of het
werkt? Dingen op nanoschaal zijn immers veel te klein om met je blote oog te zien,
zelfs met een microscoop van school kun je niets zien op nanoschaal.
§D.1 De cleanroom of stofarme ruimte
Opdracht
Teken vier rijen met daarop vier vierkantjes van 1cm×1cm, met een ruimte tussen de
vierkantjes van ook 1 cm. Je krijgt nu een vierkant van 7 cm bij
7 cm met daarin 16
vierkantjes van 1 cm.
Zet in het midden van je grote vierkant een stip dit is het middelpunt van een cirkel met
een doorsnede van 5 cm. Teken deze cirkel uit de hand. Hij hoeft niet helemaal rond te
zijn. Arceer de cirkel.
Onder aan je tekening zet je een streep van 1 cm. Daarachter schrijf je
100 nm.
Als 1 cm gelijk is aan 100 nm hoe groot is de doorsnede van de cirkel dan in µm?
Wat je nu in de opdracht getekend hebt is wat er gebeurt als een stofdeeltje (de cirkel)
landt op een aantal nanostructuren (de vierkantjes). Je kunt het ook vergelijken met
een parkeerplaats waar allemaal dure auto’s staan. Vervolgens valt er een enorm
rotsblok op de parkeerplaats. Een aantal auto’s zijn ongedeerd maar een aantal auto’s
zijn ook onherstelbaar beschadigd. Het is duidelijk dat dit een dure aangelegenheid is.
Om producten zo goedkoop mogelijk te produceren moet je er zoveel mogelijk van
maken zonder dat ze gedurende het proces beschadigt raken. Dit wordt in vaktermen
conterminatie genoemd. Als het materiaal beschadigd raakt is immers alle werk (en
kosten) voor niets geweest.
Bij de productie van nanomaterialen moet je dus voorkomen dat ze vervuilt raken met
stof. Dat doe je door deze materialen te maken in een speciale ruimte, de cleanroom.
Nu ben je eigenlijk al bekend met cleanrooms. Denk maar eens aan een operatiekamer
in een ziekenhuis. De artsen en verpleegkundigen dragen speciale kleding en niet
iedereen mag zomaar binnenkomen. In de voedingsindustrie wordt ook met
cleanrooms gewerkt. De voorverpakte vleeswaren, fruit, kaas en andere zaken worden
-24-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
in een cleanroom verpakt . Naast stofvrij moeten deze ruimtes ook steriel zijn, zodat
de patiënt of het eten niet besmet raakt met bacteriën.
Maar wat is stof eigenlijk? Waardoor ontstaat stof?
Stof is materie die zich zwevend in de lucht bevindt. Stof kan door een aantal dingen
ontstaan.
- natuurlijke elementen (bijv. stuifmeel)
- slijtage producten
- afgestorven organismen
- anorganische afvalproducten
- bacteriën
Natuurlijke elementen
Lucht bevat van nature vaste deeltjes (zand, vulkaanas, stuifmeel, zoutkristallen) die
in de lucht zweven en zelfs een nuttige functie vervullen; geen stof betekent over het
algemeen geen regen.
Slijtage
Door wrijving, zoals aan autobanden en remschoenen, ontstaan slijtageproducten.
Afgestorven organismen
Van mensen, dieren, bomen, planten komen afvalproducten vrij die, als ze klein zijn,
in de lucht mee zweven (huidschilfers, afgebroken haartjes). De mens verspreidt
honderdduizend deeltjes per minuut. Het aantal deeltjes dat verspreid wordt is sterk
afhankelijk van de hoeveelheid bewegingsactiviteit van de mens. Bij actieve
beweging is het aantal verspreide deeltjes veel meer dan het aantal deeltjes dat bij rust
verspreid wordt.
De bovenste huidlaag van de mens wordt iedere 8 tot 10 dagen volledig afgestoten en
vernieuwd. Dit betekent dat per dag 10.000.000 tot 100.000.000 huidschilfers aan de
omgeving worden afgegeven. In je hele leven raak je zo ongeveer je lichaamsgewicht
aan huisschilfers kwijt.
Anorganische afvalproducten
Hierbij wordt gedacht aan afvallozingen in de lucht. Denk bijvoorbeeld aan
uitlaatgassen van auto's, schoorstenen en uitstoot van energiecentrales.
Bacteriën
Deze kleine organismen laten zich graag door de deeltjes in de
lucht meenemen; het
circulatiesysteem van de airconditioning is een leuk
vervoermiddel. [1]
We weten nu waar stof vandaan komt en dat we bij de productie
van nanomaterialen geen stof kunnen gebruiken. Maar hoe houd
je nu stof buiten een cleanroom. De grootse vervuiler van stof zijn
de mensen die in de cleanroom werken.
[1] http://www.esdtraining.nl/Cleanroom_algemeen.pdf
-25-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Zoals je gelezen hebt verliezen we met zijn allen een heleboel huidschilvers. Om
voorkomen dat de nanoproducten op die manier vervuilt raken zie je dat mensen in
een cleanroom goed verpakt worden. Dit is dus niet om de mensen maar om de
producten te beschermen. Cleanroommedewerkers dragen speciale pakken, schoenen
en hoofddeksels. Maken gebruik van mondkapjes (vooral bij baarden en rokers. Na
het roken van een sigaret blaas je nog minstens een kwartier rookdeeltjes uit) en
handschoenen. Voordat je een cleanroom binnengaat loop je ook nog over een
kleefmat zodat deeltjes onder je schoenen erop blijven kleven.
Vervolgens moet je ook de lucht die een cleanroom inkomt ontdoen van deeltjes. Daar
voor worden luchtventilatiesystemen gebouwd met speciale HEPA (High Efficiency
Particulate Air) filters. Een HEPA-filter is een filter dat meer dan 99% van alle
deeltjes van 0.3 µm en groter tegenhoudt.
Door de lucht voordurend af te zuigen te filteren en opnieuw de cleanroom in te
blazen blijft de ruimte “schoon”. Gemiddeld wordt iedere paar minuten alle lucht uit
een cleanroom op deze manier ververst. Door nog een HEPA te plaatsen in de schone
ruimte wordt de werkbank nogmaals een factor 100 schoner.
Om te voorkomen dat “vervuilde” buitenlucht mee naar binnen komt als je een
cleanroom binnengaat maak je gebruik van een luchtsluis. In deze sluis kleed een
medewerker zich om. Vaak staat er ook nog een luchtdouche. Een apparaat dat schone
lucht met een hoge snelheid blaast. Als je ervoor gaat staan wordt je als het ware nog
eens extra schoongeblazen. Ook is de luchtdruk in een cleanroom hoger dan in zijn
omgeving. De reden hiervoor lees je bij opgave 6.
Als laatste moet je letten op de materialen die je een cleanroom inbrengt. Alle
materialen geven in meer of mindere mate stof af. Door gebruik te maken van
speciale, voor de cleanroom gemaakte producten, probeer je dat zoveel mogelijk te
voorkomen. En voorbeeld hiervan is het speciale cleanroompapier waar we later beter
-26-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
naar gaan kijken. Natuurlijk stof je ook eerste alle materialen af die je meeneemt in
een cleanroom.
Naast het filteren van stofdeeltjes moet er in een cleanroom ook steeds dezelfde
omstandigheden heersen. Daarom wordt ook de temperatuur en luchtvochtigheid
contant gehouden
Opgaven
-27-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Zoek op wikipedia naar cleanroom, lees het artikel en beantwoord de volgende vragen.
1. Hoe wordt de vervuiling in een cleanroom gespecificeerd?
2. Hoeveel vuildeeltjes zijn er in een kubieke meter in de stad aanwezig
3. Zullen er meer /minder of een gelijk aantal deeltjes in de lucht aanwezig zijn na
een forse regenbui en waarom?
4. In een cleanroom werkt men in een omgeving van klasse 10.000. Wat betekent
dat?
De tafels waarop experimenten worden gedaan of materialen worden gemaakt is vaak
klasse 10
5. Met welke iso waardes komt dat overeen.
6. waarom is de luchtdruk in een cleanroom hoger dan zijn omgeving?
§D.2 Het maken van nanomaterialen
§D.2.a De top-down methode
De eerste, meest traditionele benadering van het maken van nanostructuren is door
middel van het miniaturisering (verkleinen) van grotere objecten. Deze benadering
wordt ook wel top-down genoemd. Je start met een materiaal van grote afmeting en
voorziet die van steeds kleinere structuren.
Deze top-down werkwijze komt uit de wereld van de micro-elektronica: het maken
van structuren op chips met micrometer afmetingen.
Opdracht
Bekijk het filmpje chip
De toepassingen van de nanotechnologie zijn al duidelijk zichtbaar om ons heen.
Mobiele telefoon, gps, notebooks, memory-sticks worden steeds kleiner en hun
functies breiden steeds meer uit.
Zoals je in het filmpje kon zien worden apparaten steeds kleiner en kleiner. Dit kwam
ook terug in het filmpje van Richard Feynmann in het vorige hoofdstuk. De eerste
computers waren zo groot als kamers en nu houdt je een computer gemakkelijk in je
hand. Ook zijn de computers van nu veel sneller en kun je er meer mee opslaan.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-28-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Intermezzo
Wet van Moore
De verkleining van computers en de verdubbeling van de capaciteit gaat in een razend
snel tempo. Moore heeft daar in 1965 een wet voor gemaakt, de in de elektronica
bekende wet van Moore
De wet van Moore of
Hoe snel wordt een nieuwe chip kleiner?
Toen Gordon Moore in 1965 een speech aan het voorbereiden was over de
vooruitgang van de computertechnologie, zag hij in een grafiek iets opmerkelijks.
Elke nieuwe chip die uitkwam, had ongeveer tweemaal zoveel capaciteit als zijn
voorganger en kwam een jaar later op de markt. Hij voorspelde toen dat de
rekenkracht van computers ieder jaar zou verdubbelen (later stelde hij de
tussenperiode van een jaar bij naar achttien tot vierentwintig maanden.
De wet geldt tot op vandaag, maar deskundigen houden er rekening mee dat deze
vooruitgang binnenkort langzamer zal gaan verlopen. De reden daarvoor is dat de
steeds verder doorgevoerde miniaturisatie niet langer alleen afhankelijk is van
technologische vooruitgang, maar ook gehinderd wordt door fundamentele fysische
-29-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
barrières. Hoe kun je iets kleiner maken dan een atoom en hoe verhouden deeltjes zich
die voldoen aan de kwantummechanica.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
De meest gebruikte technieken waarvan gebruik wordt gemaakt voor het vervaardigen
van nanostructuren met de top-down methode zijn optische lithografie, etsen
(weghalen van materiaal) en dunne laag technieken (aanbrengen van materiaal).
Het lithografische proces is voornamelijk bepalend voor de minimale afmeting van
een structuur. Deze afmetingen bepalen uiteindelijk of de structuren aan hun
ontwerpspecificaties voldoen.
Lithografie, of ‘steendruk’, is een druktechniek, waarbij een afbeelding wordt
geprojecteerd op een siliciumschijf, wafer genaamd. Deze methode is niet nieuw en
wordt ook niet alleen bij nanotechniek toegepast. Misschien ken je lithografie al uit de
kunst.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Intermezzo
Lithografie en kunst [2]
Het tweehonderd jaar geleden dat Alois Senefelder de lithografie uitvond. Sindsdien
hebben 's werelds grootste kunstenaars zich eraan gewijd.
Net als alle grote ontdekkingen, zoals het buskruit en de gom op de gele
memobriefjes, wordt het principe van de lithografie min of meer toevallig
uitgevonden. De uit Praag afkomstige Alois Senefelder is een betrekkelijk
onsuccesvolle toneelschrijver, die kampt met geldproblemen. Hij kan zich niet
veroorloven zijn eigen stukken te laten drukken. Daarom zoekt hij naar een
alternatieve, goedkope methode om zijn werk te vermenigvuldigen, teneinde het in
omloop te kunnen brengen. Hij begint te experimenteren met een verschijnsel dat hij
bij eerdere proeven, op een geheel ander terrein, heeft opgemerkt: het feit dat druppels
olie zich hechten aan een vethoudende inkt.
Het principe van de steendruk is betrekkelijk eenvoudig. Vetten stoten water af en
trekken andere vette stoffen aan. Wanneer je nu met een vet materiaal een tekening
maakt, en vervolgens de tekening vochtig maakt, dan zal het water ter plekke van de
tekening worden afgestoten. Vette drukinkt, die met een rol wordt aangebracht, hecht
aan de vette tekening en niet aan het niet betekende oppervlak. Wanneer je hier een
vel papier oplegt en hard genoeg drukt krijg je een spiegelbeeldige afbeelding van het
origineel.
Als tekenoppervlak gebruikt Senefelder een vlakke kalksteen. Niet lang daarna gaat
men ook werken met aluminium platen, een techniek die tot de dag van vandaag
wordt gebruikt om kranten te drukken. Kunstenaars maken echter bij voorkeur
gebruik van kalksteen.
-30-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Dat zijn uitvinding leidt tot een geheel nieuwe kunstvorm doet de jonge
toneelschrijver goed maar ten tijde van de uitvinding heeft hij eerder een commercieel
dan een artistiek doel voor ogen. Hij realiseert zich dat de steendruk zich uitstekend
leent voor het drukken van muziekpartituren. Deze zijn zeer in trek, maar de
traditionele boekdrukkunst, met haar systeem van letterbakken, leent zich er niet voor.
De rest van zijn leven zal Senefelder zich bezighouden met het verspreiden van zijn
uitvinding.
Het duurt een kwart eeuw voor de lithografie een volwaardige plek in de kunstwereld
opeist. De eerste grote stap, tot op heden een
onbetwist hoogtepunt in de geschiedenis van
de lithografie, wordt gezet wanneer de
Spaanse meester Francisco Goya in 1824 een
steendrukkerij in Bordeaux binnentreedt en op
een steen enkele afbeeldingen van
stierengevechten tekent. Ze worden gedrukt en
blijken een doorslaand succes: een nieuwe
kunstvorm is geboren.
De kunstvorm kent zijn ups en downs. Na Goya en Eugène Delacroix wint de
lithografie dusdanig aan populariteit dat de markt wordt overspoeld met middelmatige
werken van middelmatige kunstenaars. Natuurlijk zijn er uitzonderingen.
Hoogtepunten vormen het werk van de Franse dwerg Toulouse Lautrec en de
nocturnes van James Mcneill Whistler (in 1887), die zijn litho's liefkozend omschrijft
als 'zwijgende zangen in steen'.
[2] Pierijn Van Der Putt
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Bij lithografie processen bij nanotechnologie wordt op de wafer eerst een
lichtgevoelige laag (de resist) aangebracht (zie onderstaande figuur). De afbeelding is
onderdeel van het te bouwen drie dimensionale structuur en wordt via een masker
door een stralingsbundel overgebracht op de fotogevoelige laag (zie onderstaande
figuur). De bundel werkt in op deze laag zodat de belichte delen in een
ontwikkelvloeistof oplossen (positieve resist) of juist niet (negatieve resist). De
afbeelding is dan klaar om verdere bewerkingen te ondergaan, zoals het opvullen van
de ontstane holten met een metaal of een isolerend materiaal. In de figuur worden de
gaten niet opgevuld maar door etsen verdiept zodat er kanalen in de wafer geëtst
worden. Door het ieder keer herhalen van dit proces ontstaat er uiteindelijk een
driedimensionale figuur. Een soortgelijke procédé wordt toegepast bij het ontwikkelen
en afdrukken van foto’s.
-31-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Figuur Het basisprincipe van lithografie
§D.2.b De bottum-up methode
Nanostructuren kunnen ook ‘bottom-up’ gemaakt worden met chemische
groeitechnieken. Deze laten atomen zichzelf organiseren in dunne lagen, draden,
piramides, enzovoorts. Bottom-up is een methode voor de gerichte opbouw van
nanostructuren en werkt volgens twee princiepes: het zogenaamde sol-gel-procédé en
de gasfasesynthese. Door een samenvoegen van verschillende organische en
anorganische bouwstenen is het mogelijk om gericht nieuwe grondstoffen produceren
(vergelijk het maar met het bouwen met verschillende kleuren lego stenen).
Bij de bottom-up methode gaat het meestal om een chemische oplossing van
verschillende materialen, die in een colloïdale oplossing –
een sol – overgaat. Een sol is een stof met deeltjesgrootte
van 1 nm tot 1000 nm die in een andere stof gelijkmatig
verdeeld is, zodat de deeltjes in deze andere stof zweven.
Deze verdeling is stabiel. Omdat de zwaartekracht geen
invloed heeft op deze kleine deeltjes volgt er geen scheiding
Figuur een sol
van stoffen. Mist is een voorbeeld van een aerosol (aero want in lucht/gas) waarbij
kleine waterdruppeltjes in de lucht zweven als een sol, wat de zichtbaarheid beperkt.
Verf is een ander voorbeeld waarbij pigment( kleur) deeltjes zijn die opgelost zijn in
een vloeistof (water geeft waterverf, olie geeft olieverf).
Door verhitten of na het toevoegen van een katalysator (reactie versneller) groeien de
deeltjes tot een kritische grootte, waarna ze weer uit elkaar vallen. Door de chemische
-32-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
verandering van het deeltjesoppervlak kan de deeltjesgroei in bepaalde fasen gestopt
worden. Zo is het mogelijk om deeltjes van een bepaalde grootte te krijgen, waarvan
het oppervlak aansluitend bijvoorbeeld als bescherming tegen samenklonteren of het
niet meer hebben van bepaalde oploseigenschappen verder veranderd kan worden.
Een voorbeeld vanuit de praktijk (Goudcolloïden):
In een waterige
tetrachloorgoudoplossing
(HAuCl4)-oplossing
worden door roeren bij
100°C goudcolloïden
gevormd. De reactie is
bijvoorbeeld door het
toevoegen van
trinatriumcitraat
(natriumzout van het citroenzuur) als reductiemiddel te stoppen. De zo geproduceerde
gouddeeltjes hebben een doorsnede van gemiddeld 15 nm en zijn wijnrood. Al in de
middeleeuwen produceerden glasmakers onbewust zulke deeltjes. Ze smolten bij het
maken van kerkramen kleine hoeveelheden goud en verkregen zo het beroemde
“robijnglas”. Goud werd dus als rode kleurstof gebruikt en was niet goudkleurig.
Uit een sol kan bijvoorbeeld door onttrekken van het oplosmiddel een gel gevormd
worden. De gel vertoont nieuwe materiaaleigenschappen. Gel uit grafiet (zit in je
potlood) geleidt bijvoorbeeld elektrische stroom terwijl gewoon grafiet dat niet doet.
Een ander voorbeeld van deze methode is de praktische opdracht 3 die jullie in het
vorige hoofdstuk hebben uitgevoerd.
De tweede belangrijke productiemethode voor nanomateriaal is de gasfasesynthese.
Als uitgangsstoffen dienen gassen, vloeistoffen of vaste stoffen, die in de
gasfasereactor in een gasstroom worden gebracht en door een zeer hete zone
doorlopen. Vloeibare en vaste stoffen worden daarvoor door verdampen of
verstuiving in gassen, fijn verdeelde druppels of deeltjes omgezet. Bij de
chemieconcerns worden verschillende soorten van gasfasereactoren ingezet,
waaronder de vlammenreactor, de hete wand reactor en de plasmareactor. Zij
verschillen door de vorm van de energietoevoer. Met de gasfasesynthese worden veel
producten op industriële maatstaf geproduceerd, bv. Titaandioxide-nanodeeltjes, die
met behulp van lichtenergie chemische reacties versnellen. Een bekender voorbeeld is
de binnenzak van chips die op deze manier wordt geproduceerd. Door het
aangebrachte glimmende laagje blijven de chips in de zak langer vers
Samengevat:
Wetenschappers gebruiken twee benaderingen om structuren op nanoschaal te
bouwen:
-33-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
 De opwaartse benadering: bottum-up. Daarbij maak je met kleinere
bouwstenen een groter geheel. Een aanpak die typisch is voor de scheikunde.
Deze versie van de nanotechnologie wordt ook wel een supramoleculaire
chemie genoemd. De bouwblokjes waarmee nanostructuren gebouwd worden,
zijn immers op zichzelf al grote moleculen.
 De neerwaartse beweging: top-down. Dan probeer je vanuit een groot
voorwerp een kleiner voorwerp te maken, een beetje zoals een beeldhouwer
een beeld kapt uit een groot blok marmer. In de praktijk wordt die aanpak
gebruikt in de chipindustrie. Waar je laagjes afzet op een drager en er dan
structuren in uitsnijdt met een elektronenstraal.
§D.3 Het zichtbaar maken van nanomaterialen
Hoe kun je nu nanomaterialen zichtbaar maken? Bekijk daarvoor het volgende
filmpje. Het handelt niet over nanomaterialen maar over vissen. Sommige vissen
zwemmen soms duizenden kilometers om eitjes te leggen. Ze weten waarschijnlijk de
weg door een soort kompasnaald in hun neus. Met de sterkste microscoop ter wereld
kan Ernst de magneetdeeltjes van het visneuskompas tot op celniveau zichtbaar
maken. De bij dit onderzoek gebruikte van microscopen worden ook gebruikt bij het
onderzoek naar nanodeeltjes.
Opdracht
Bekijk het filmpje supermicroscoop
Wanneer je een groter organisme bekijkt, kun je gemakkelijk een aantal delen
herkennen. Kijk maar eens bij jezelf wat je allemaal voor onderdelen uitwendig kunt
aanwijzen en benoemen. Wanneer je je lichaam zou opensnijden, zul je nog meer
delen zien. Ga je verder op onderzoek, dan zul je steeds kleinere delen ontdekken.
Voor die kleinere onderdelen kun je verschillende hulpmiddelen gebruiken, zoals een
loep of, bij nog kleinere delen een microscoop.
Onderzoek je materialen nog verder, dan zijn deze opgebouwd uit kleine deeltjes
zoals moleculen, atomen en ionen.
Dat deze deeltjes bestaan is op verschillende manieren aan te tonen. Een van die
manieren is deze deeltjes zichtbaar maken met apparaten. In de loop van de tijd werd
het mogelijk kleinere deeltjes – cellen, moleculen en atomen - te bekijken
In het jaar 1924 besefte de Belg Louis de Broglie, dat elektronen tegelijkertijd
deeltjes- en golfkarakter hebben en daarom als elektronenstralen vergelijkbare
eigenschappen hebben als het licht. Deze kennis maakte de weg vrij voor de bouw
van een microscoop om de nanowereld binnen te dringen.
Omdat snelle elektronen een zeer veel kleinere golflengte hebben dan zichtbaar licht
en het oplossend vermogen van een microscoop door de golflengte begrensd wordt,
kan met een elektronenmicroscoop een duidelijk hoger oplossend bereikt worden als
met een lichtmicroscoop. Vergeleken met de lichtmicroscoop bezit de
elektronenmicroscoop enige bijzonderheden: de door een gloeiende wolfraamdraad
geproduceerde elektronen worden in een elektrisch veld versneld. In de
elektronenmicroscoop moet een vacuüm heersen, omdat de elektronenstraal anders
-34-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
door de gasdeeltjes gestrooid zou worden. Als lenzensystemen dienen
elektromagneten, die de elektronenstraal bundelen en afleiden. Omdat het
magneetveld regelbaar is, zijn er bij een elektronenmicroscoop geen verwisselbare
oculairen of objectieven nodig om bij de verschillende vergrotingen te werken.
Hieronder volgen een opsomming van enkele verschillende microscopen om
nanomaterialen zichtbaar te maken.
§D.3.a Transmissie elektronenmicroscoop
Bij een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) stralen de elektronen door het
preparaat en treffen op een scherm, dat het beeld van het object toont.
§D.3.b Rasterelektronenmicroscoop
Bij de rasterelektronenmicroscoop (REM) wordt de
elektronenstraal tot een zo klein mogelijke vlek gebundeld en regel voor regel over
het te onderzoeken preparaatdeel geleid.
Bij een vaak gebruikte meetmethode met dit systeem, de secundaire
elektronenmicroscopie (SEM), worden niet de elektronen, waarmee het object
bestraald wordt, maar de door de bestraling uit het preparaat gestoten elektronen
gemeten. Dit is te vergelijken met lichtstralen, die door een vensterruit gereflecteerd
worden. De elektronen verlaten het preparaat aan die kant, waar de elektronenstraal
-35-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
getroffen heeft. De verdeling van de elektronen wordt met behulp van een detector en
een versterker in beelden op een monitor omgezet.
§D.3.c Rastersondenmicroscoop
Een bijzondere vorm van de rasterelektronenmicroscopie (AFM) is de
rastersondenmicroscopie. Hierbij wordt in de regel een spitse naald van enige 100
micrometer lengte (en in het optimale geval met een punt van maar één atoom) tot
ongeveer een nanometer afstand van het preparaatoppervlak gebracht en in een raster
erover geleid. Daarbij “voelt” de sensor een afstandsafhankelijke natuurkundige
wisselwerking, die als meetsignaal dient.
Bij een rasterkrachtmicroscoop wordt de arm, waaraan zich de punt bevindt, bij
contact met een atoom aan het oppervlak verbogen. Boven op de arm bevind zich een
spiegeltje. Als de arm buigt veranderd de stand van het spiegeltje. Hierdoor wordt de
reflectiehoek van een laserstraal meetbaar veranderd. Dit signaal wordt als
driedimensionaal beeldinformatie door een computer geregistreerd en afgebeeld. Zo
geproduceerde afbeeldingen lijken op het oppervlak van een eierdoos met inzinkingen
en uitstulpingen. Iedere berg komt bij het goede oplossende vermogen overeen met
een atoom.
-36-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Het principe van de rastersondenmicroscoop of rastertunnelmicroscoop valt dus het
beste te vergelijken met een ouderwetse platenspeler. Een vlijmscherpe metalen naald
– de punt is 1 atoom dik -, tast het oppervlak van het preparaat af. Het grote verschil
met de platenspeler is dat deze RTM-naald het preparaat net
niet raakt. Door een elektrische spanning tussen naald en het
preparaat gaat er een minuscule stroom lopen: de
tunnelstroom. De microscoop meet de stroom en stelt
voortdurend de hoogte van de naald zodanig bij, dat de naald
op een constante afstand van het oppervlak blijft. Als nu de
naald parallel aan het oppervlak verschoven wordt, terwijl
de stroom constant wordt gehouden, volgt de naald een
hobbelpad – iets hoger boven een atoom en iets lager tussen
de atomen in -, dat eruit ziet als de atomaire structuur van
het oppervlak onder de naald. De bewegingen van de naald
worden door een computer geregistreerd en op een beeldscherm zichtbaar gemaakt.
De microscoop is in een vacuümkamer geplaatst om te voorkomen, dat het preparaat
oxideert of verontreinigd wordt.
-37-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Een andere toepassing van de RTM is het manipuleren van atomen. Het is gelukt om
de atomen zo te verplaatsen, dat er verschillende figuren gemaakt konden worden.
Opgave
7. Zoek de betekenis op van de volgende afkortingen.
a. SEM
b. TEM
c. AFM
d. STM
e. REM
Praktische opdracht 4
Cleanroom papier
-38-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Onderdeel E
Je denkt misschien dat nanotechnologie een ver van je bed show is maar niets is
minder waar. Vandaag kijken we naar twee producten die al jaren in de handel zijn.
Ook kijken we naar de negatieve aspecten van deze technologie en het verschil tussen
de technologie en hype.
§E.1 Toepassingen en gevaren van nanotechnologie
Opdracht
Bekijk het filmpje nano-technologie: klein venijn of zegen.
§E.1.a Zonnebrandcrème en nano
Artikel:
Nanotech: nieuwe kansen, nieuwe gevaren
(7 maart 2005)
door Sander Becker
Technologiedebat
Hoop op subtielere medicijnen
Anders dan destijds bij biotechnologie blijft Greenpeace nu gematigd
Nanodeeltjes, piepkleine partikeltjes, beloven een technologische revolutie, maar
de risico's voor de gezondheid en het milieu worden nauwelijks onderzocht. Zijn
nano-zonnebrandcrèmes eigenlijk wel veilig?
Over nanotechnologie -gepriegel op de miljardste meter- bestaan veel
hosannaverhalen. Alsof er een compleet nieuwe wereld in wording is. Een
'nanowereld', die ons kleinere, lichtere en goedkopere producten zal opleveren.
Krachtiger computers ook. Snellere communicatiemiddelen, betere medische
behandelingen, een schoner milieu en een aangenamere leefomgeving.
Maar ook de risico's voor onze gezondheid en het milieu zijn aanzienlijk. De
Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en het Rathenauinstituut hebben er onlangs beide een rapport over uitgebracht. Ook de
Gezondheidsraad buigt zich nu over de gevaren. Wat is er aan de hand?
-39-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
De bezorgdheid komt voort uit de minuscule omvang van nanodeeltjes. Door hun
geringe afmetingen kunnen ze bij inademing diep in de longen doordringen. Daar
zouden ze ontstekingen of kanker kunnen veroorzaken. Ook zouden ze via de huid in
het bloed kunnen belanden. Geen prettig idee, want juist door hun beperkte omvang
zijn veel nanodeeltjes zeer reactief -lees giftig. En worden ze in het milieu goed
afgebroken?
Het KNAW-rapport is geschreven in opdracht van Maria van der Hoeven, minister
van wetenschap. Zij was gealarmeerd door het toenemende aantal geruchten over
nanotechnologie. Die worden vooral verspreid door een Canadese milieubeweging, de
ETC Group. Leden daarvan zien nanodeeltjes als het 'asbest van de toekomst'. Ze
eisen een moratorium op de toepassing ervan en waarschuwen voor producten waar
nanodeeltjes in zijn verwerkt.
De milieugroep heeft het vooral gemunt op zonnebrandcrèmes van L'Oréal. Die
bevatten nanokristallen van titaniumdioxide. Dit onoplosbare zout wordt op zich al
tientallen jaren toegepast in tandpasta en zonnebrandcrème, maar meestal alleen in
relatief grote deeltjes van 1 tot 5 micrometer. In die grootte weerkaatsen ze al het licht
dat erop valt, zodat ze producten een stralend wit uiterlijk geven. In nanovorm werken
de deeltjes anders. Ze blokkeren dan alleen ultraviolet licht; zichtbaar licht gaat er
dwars doorheen, met als gevolg dat de nanodeeltjes kleurloos zijn. Ideaal voor een
zonnebrandcrème: je beschermt gericht tegen uv-stralen, en je krijgt niet zo'n vies wit
laagje op de huid.
De ETC Group vreest echter dat nanocrèmes niet tegen huidkanker beschermen, maar
het juist veroorzaken. Geen absurd idee, want van nanodeeltjes titaniumdioxide is
bekend dat ze onder invloed van uv-stralen zogeheten 'radicalen' vormen: agressieve
deeltjes die het DNA kunnen beschadigen. Als de nanodeeltjes in menselijke cellen
worden ingebracht, blijkt die schade inderdaad op te treden. En DNA-schade kan
leiden tot kanker, vandaar.
In werkelijkheid loopt het niet zo'n vaart, relativeert dr. Paul Borm, hoogleraar
toxicologie aan de universiteit van Düsseldorf en werkzaam aan Hogeschool Zuyd in
Heerlen. ,,Titaniumdioxide is op zich niet giftig. Het wordt pas gevaarlijk als er uvlicht op valt; daarom zit er een coating rond de deeltjes. De vraag is nu: komen de
nanodeeltjes door de bovenste huidlaag heen? In die hoornlaag zitten alleen dode
cellen, dus daar kan de stof geen kwaad. Als de deeltjes ook dieper komen, wordt het
een ander verhaal. Dat lijkt niet het geval, maar hier is maar heel weinig onderzoek
naar gedaan. L'Oréal geeft er zelf niets over vrij. Heel frustrerend.''
Bij L'Oréal zijn ze verbaasd over de ophef. Nanodeeltjes zitten in al hun
zonnebrandcrèmes, laat een woordvoerster weten, én in die van veel concurrenten.
Deze crèmes -al tien jaar verkrijgbaar- zijn uitgebreid getest en veilig bevonden. Dat
zou onder meer blijken uit onderzoek van de Berlijnse toxicoloog Jürgen Lademann.
-40-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Bovendien zouden de nanodeeltjes vanwege hun coating sowieso niet door de
hoornlaag heen kunnen dringen. Kortom, niets aan de hand.
Borm beaamt dat de nanocrèmes hoogstwaarschijnlijk veilig zijn. Het probleem zit
volgens hem meer in het feit dat er in zijn algemeenheid te weinig onderzoek wordt
gedaan naar de schadelijkheid van nanodeeltjes en dat dit weinige onderzoek niet
beschikbaar is voor de buitenwereld. Hij ziet vragen te over. Wat gebeurt er
bijvoorbeeld als een nanocrème op een wondje wordt gesmeerd? Zijn mensen met
longaandoeningen of hart- en vaatziekten gevoeliger voor nanodeeltjes dan
gemiddeld, zoals ze ook meer last hebben van nanopartikeltjes in vervuilde lucht?
Zijn collega dr. F. de Wolff, hoogleraar toxicologie in het Leids Universitair Medisch
Centrum, vindt dat deze gevaren nog onvoldoende serieus worden genomen. Hij
waarschuwt bovendien voor onopgemerkte risico's. ,,Door hun afmetingen kunnen
nanodeeltjes een ander soort giftigheid geven dan verwacht. De huidige testmethoden
zijn daar niet goed voor uitgerust.''
Maar geen paniek. De overheid zit er bovenop, verzekert dr. G. Robillard, hoogleraar
biofysische geochemie aan de Rijksuniversiteit Groningen en een van de opstellers
van het KNAW-rapport: ,,Bijna elk land is bezig met het formuleren van een
onderzoeksprogramma om de schadelijke effecten van verschillende soorten
nanodeeltjes te bestuderen. Gevaarlijke deeltjes zullen we moeten verbieden, andere
niet. Een algemeen moratorium zou onzinnig zijn.''
De overheid probeert ondertussen een debat over nanotechnologie op gang te brengen.
Zo kan een herhaling van het gentech-drama worden voorkomen. In de jaren negentig
werden genetisch veranderde gewassen geïntroduceerd zonder dat daar voldoende
voorlichting of discussie aan vooraf was gegaan. Gevolg: milieubeschermers stelden
zich lijnrecht op tegenover wetenschappers en industriëlen, het vertrouwen in de
wetenschap kelderde en het onderzoek liep jarenlang vertraging op.
Ditmaal moet alles soepeler gaan. De eerste signalen zijn gunstig, meent Borm:
Greenpeace, ooit een van de felste tegenstanders van biotechnologie, kiest nu voor
een gematigde, afwachtende positie. Maar het publiek is onvoorspelbaar, werpt De
Wolff tegen. ,,Als mensen eenmaal bezorgd zijn, valt daar nauwelijks nog iets aan te
doen.''
(Bron: KNAW-rapport 'Hoe groot kan klein zijn?')
Opdrachten
Lees bovenstaand artikel en beantwoord de volgende vragen.
1. welke voordelen en nadelen hebben nanodeeltjes in zonnecrème.
2. Van welk materiaal zijn de nanodeeltjes in zonnecrème.
3. Welke risico’s zijn er met nanodeeltjes.
-41-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
4. Hoe wil de regering de introductie van nanodeeltjes bij het grootte publiek
soepel laten verlopen?
Practische opdracht 5a
§E.1.2b Het lotus effect
Voor veel Aziatische mensen geldt de
lotusbloem niet alleen als symbool van
de reinheid, maar is ook heilig: haar
bladeren ontspruiten uit modderige
watertjes en zijn desondanks droog en
schoon. Vuil kan door eenvoudig
afsproeien verwijderd worden. Zelfs
kleverige substanties, zoals honing
glijden al bij een beetje schuin houden
van de bladeren er volledig vanaf. In
1992 werd dit fenomeen, dat al in de
jaren zeventig onderzocht werd,als
lotuseffect beschreven. Bij meer dan
20.000 andere plantensoorten wordt dit
effect ook gevonden, waaronder kool,
riet en tulp.
Planten zijn niet alleen blootgesteld
aan het altijd aanwezige vuil, maar ook
aan vijanden, zoals bacteriën, virussen
en schimmels. Het lotuseffect
beschermt plant goed tegen infecties,
want de ziekteverwekkers kunnen niet
aan het oppervlak blijven plakken en
daardoor niet de cel binnendringen.
Onder de rasterelektronenmicroscoop is te zien, dat het oppervlak van het blad
bezaaid is met heuvelachtige microstructuren, die met waterafwijzende waskristallen
van enige nanometer grootte bezet zijn. Het lotuseffect is iets anders dan het vanuit de
techniek veel bekendere zogenaamde “easy-to-clean-effect”. Dit effect wordt
veroorzaakt door de water- en vetafwijzende eigenschappen van gladde chemische
lagen.
Op een glasplaat met een zeer hydrofiele laag breidt de waterdruppel zich uit tot een
film van aparte watermoleculen. De contacthoek die dan gevormd wordt bedraagt 0°.
Van dit effect wordt gebruik gemaakt bij nanomaterialen voor de anticondenslagen,
bijvoorbeeld bij brillenglazen. Bij een extreem waterafwijzend (superhydrofoob)
oppervlak gedraagt de druppel zich alsof deze zich op een hete kachelplaat bevindt.
De waterdruppel krijgt een parelvorm en raakt de ondergrond nog maar op een punt.
De contacthoek bedraagt dan ongeveer 180°.
-42-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Ook de ruwheid heeft invloed op het
nat worden. Een hydrofiel oppervlak
wordt door de opruwing beter nat. Een
voorbeeld hiervoor is keukenpapier.
Een hydrofoob oppervlak echter wordt
door opruwing superhydrofoob. Precies
dat is het geval bij het lotuseffect: er
bevindt zich lucht tussen de hydrofobe
microstructuren en de waterdruppels.
Op het ruwe oppervlak is het
contactvlak tussen blad waterdruppel
extreem klein, waardoor de druppel er
zonder tegenstand vanaf rolt.
Hydrofobe vuildeeltjes op zo’n
bladoppervlak worden door de
waterdruppels meegenomen, omdat deze alleen op de puntjes van de waskristallen
liggen. De vuildeeltjes hebben grotere adhesie (=aantrekking) ten opzichte van de
waterdruppels dan ten opzichte van het bladoppervlak.
In het dagelijkse leven probeert men het lotuseffect op alle mogelijke manieren te
imiteren. Uit de samenwerking van wetenschap en industrie zijn intussen goed
verkoopbare producten ontstaan, bijvoorbeeld vuilafwijzende verven en dakpannen.
Een goed voorbeeld vormt de zelfreinigende tegel. De nanostructuur hiervan aan de
buitenkant zorgt ervoor, dat zowel water als organische vloeistoffen gaan parelen en
snel naar beneden rollen, waarbij ze meteen stof en vuil meenemen. De tegels laten
zich gemakkelijk reinigen en zijn beter bestand tegen graffiti.
Een ander voorbeeld is het dampvrije helmvizier. Het plastic van het vizier is bedekt
met een hydrofiel nanomateriaal, dat ervoor zorgt dat water niet meer druppeltjes
vormt, maar zich uitspreidt tot een film. Dit is een tegengesteld effect van
nanotechnologie als bij het lotuseffect.
Opdrachten
Lees bovenstaand artikel en beantwoord de volgende vragen.
-43-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
5. wat is een hydrofobe laag
6. Wat is een hydrofiele laag
Practische opdracht 5a
Hydrofoob en hydrofiel
§E.2. Nano een hype?
Opdracht
7. Bekijk de twee reclames die hier afgedrukt staan. Beschrijf bij iedere
reclame wat er nano aan het product is. Nano is een hype. Leg dat uit aan
de hand van deze twee reclames.
-44-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
1. Tata Nano; auto voor 1700 Euro
Op de Auto Expo in New Delhi onthulde Tata-topman Mr. Ratan N. Tata de auto hoogstpersoonlijk. Na vier jaar
van ontwikkeling trok hij het doek van de goedkoopste auto ter wereld. Volgens de topman moet de Nano de
mogelijkheden van de Indiase bevolking kunnen veranderen en India mobiel maken. Het idee voor de
ontwikkeling van de Nano ontstond op straat. Ratan Tata zag een doorsnee Indiaas gezin rijden op een
scootertje. Vader reed, een kind stond voorop en moeder zat met een baby achterop. Hij realiseerde zich dat dit
niet veilig was en bovendien afhankelijk van de weerssituatie ook niet zo kon. Daarop besloot hij de ontwikkeling
de starten van een kleine auto die net zo schoon en zuinig is als een brommertje, maar wel het comfort en de
warmte van een auto kan bieden. Zie hier, de Tata Nano!
Compact en zuinig
De auto meet een lengte van 3.1 meter, een breedte van 1.5 meter en een hoogte van 1.6 meter. Daarmee biedt
de auto plaats aan vier personen en wat bagage. Voor de aandrijving staat een tweecilinder motortje met een
inhoud van 623 cc garant. De motor weet 33 pk op de achterwielen over te brengen en moet daarmee redelijke
prestaties kunnen leveren. Het verbruik ligt bovendien zeer laag (ongeveer 1 op 25).
Spotgoedkoop
Tata wil India met deze Nano mobiel krijgen. De auto gaat af-fabriek (in de goedkoopste uitvoering) € 1.700,kosten en is daarmee de goedkoopste auto ter wereld. Elke vorm van luxe ontbreekt dan ook. Wel moet de
dealer er dan nog aan verdienen en komt er nog wat belasting overheen, maar de auto blijft spotgoedkoop. Zelfs
voor Indiase begrippen waar de lonen extreem laag liggen. We zullen zien of deze Nano het leven van de
gemiddelde Indiase inwoner gaat veranderen.
-45-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
2. Alles Nano-schoon
-46-
bms SMC 2009-2010
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
-47-
bms SMC 2009-2010
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Bronnenlijst
Dit is een overzicht van de gebruikte bronnen zover deze niet al op de diverse plekken
vermeld staan.
Machten van tien, Philips en Phylis Morrison, 1985
Nanotechnologie, Einführung in die Nanotechnologie, Dr. Karl-Heinz Haas, 2006
Nanotechnologie, op weg naar een moleculaire bouwdoos, Arthur ten Wolde e.a.,
2000
Project NANO: wegwijs in nanoscience en nanotechnologie ,
Drs J. H. Bilo MA, 2007
Water, Vera Bouman, St.Maartencollege Maastricht, 2007
Lezing: Nano in oppervlaktetechnologie. Een sprookje?,Cor Schrauwen (TNO), sector
Bernard Lievegoed, mei 2008
Lezing: Moleculaire (bio)nanotechnologie ,Dr.Ir. M.L. Bennink
Illustratieverantwoording
school.discoveryeducation.com/clipart/category/scie5.html
cgi.befr.ebay.be
www.techna.nl
www.gore.com/.../508/356/cleanroom_web-copy.jpg
www.americancleanrooms.com/am/images_index
www.mmrc.com.au/images/4.jpg
www.bio-pro.de/imperia/md/images/artikelgebun
www.cichlidae.be/filmcamera.gif
www.imec.be/.../images/moores_law.gif
www.iopb.res.in
www.andrew.cmu.edu
-48-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
www3.physik.uni-greifswald.de
Machten van tien, Philips en Phylis Morrison pag 113
Nanotechnologie, Einführung in die Nanotechnologie, Dr. Karl-Heinz Haas
pag 36
Wegwijs in nanoscience en nanotechnologie ,
Drs J. H. Bilo MA pag 8, pag 10, pag19-21, pag 43-44
Internet sites
www..wikipedia.nl
www.haycap.nl/app-c/machten/machten.htm
www.techna.nl
www.mesaplus.utwente.nl
www.rug.nl/informatica/informatievoor/studiekiezers/wistjedat/moore
www.autowereld.eu
Filmfragmenten
www.youtube.com
Powers of 10
www.youtube.com
Richard Feynman Intro
www.hetklokhuis.nl
Het klokhuis
Uitzending: 24-12-2007
Chip
Opnemen tussen 0:19-1:33; 3:25-6:22; 7:14-11:06
Het klokhuis
Uitzending: 8-3-2006
-49-
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
Supermicroscoop
Opnemen tussen 0:17-3:38; 5:54-8:59; 9:52-12:37
www.eenvandaag.nl
Een vandaag
Uitzending : 5 jan 2007
Nano-technologie: klein venijn of zegen
Veel toepasselijke filmpjes zijn ook bij YouTube te vinden
-50-
bms SMC 2009-2010