Nanobuisjes zijn op verschillende manieren te maken, bijvoorbeeld door methaangas bij hoge temperatuur over metaaldruppeltjes te leiden, maar de meeste komen op hetzelfde neer: zorg dat je onder extreme omstandigheden losse koolstofatomen krijgt. Die atomen groeperen zich vervolgens als vanzelf in het kippengaasraster van het nanobuisje. Van de zeshoeken van koolstofatomen – een benzeenring – was al bekend dat elektronen zich er soepeltjes door bewegen, terwijl de ring zelf uiterst stevig is. Vervat in een buisje geeft dat een aantal bijzondere eigenschappen. Er bestaan overigens ook meerwandige nanobuisjes, de equivalent van een rol kippengaas.

Geen materiaal heeft zo’n hoge treksterkte als het nanobuisje, dat enkele millimeters lang kan zijn. De elektrische eigenschappen hangen af van de oriëntatie van de zeshoekjes in de buis. Als de punten van de zeshoeken in de lengterichting van de buis liggen, heeft die metallische eigenschappen, anders is hij een halfgeleider. De thermische geleiding is altijd goed. Kleine defecten, bijvoorbeeld een knik in het buisje, kunnen de eigenschappen aanzienlijk beïnvloeden.

Kortom, een interessant molecuul, waarvan de mogelijkheden nog altijd niet volledig in kaart gebracht zijn. Een heel leger aan onderzoekers wereldwijd komt op gezette tijden met weer nieuws over het buisje. Eind maart was dat bijvoorbeeld dr.ir. Benoit Witkamp, die aan de TU Delft promoveerde op een nanobuisje dat als een gitaarsnaar gespannen was en zo gevoelig was voor veranderingen in de omgeving dat je het kon gebruiken om een helium-atoom te wegen.

Hij hoopt zijn nanobuis-instrument nog gevoeliger te kunnen maken: ‘Er wordt al lang gezocht naar een instrument om de nulpuntbeweging, ofwel beweging bij 0 Kelvin, van een mechanisch object te meten, maar dat is nog steeds niet gelukt. Een resonator als de mijne zou het in een verbeterde versie misschien kunnen worden.’

Het Delftse Kavli-instituut zou je de homebase van het nanobuisje in Nederland kunnen worden. Prof.dr.ir. Cees Dekker vergaarde er roem met zijn pioniersonderzoek op het gebied, zoals de eerste transistor op basis van een nanobuisje. Ook fundamentele eigenschappen van het nanobuisje worden er onderzocht. Zo bleek een paar jaar geleden dat een nanobuisje plaatselijk opzwelt als je er één elektron extra inbrengt.

Dekkers eigen aandacht is inmiddels verschoven naar biomoleculen, maar collega’s binnen het instituut houden zich nog altijd met het nanobuisje bezig. De onderzoeksgroep van prof.dr. Serge Lemay rondde onlangs een project af dat nanobuistransistoren in water gebruikt als sensoren.

‘U moet zich voorstellen dat moleculen zich in oplossing hechten aan het nanobuisje’, legt Lemay uit. ‘Daardoor verandert de weerstand. Heel veel groepen wereldwijd houden zich bezig met het maken van arrays van dergelijk sensoren die samen een groot aantal moleculen kunnen detecteren. Ons onderzoek richtte zich vooral op de vraag welke fysische processen een rol spelen bij het beïnvloeden van de weerstand.’

Wereldwijd neemt het onderzoek naar nanobuistransistoren een grote vlucht. Een van de problemen bij het gebruik van individuele nanobuisjes daarvoor is dat de elektrische eigenschappen ervan sterk verschillen afhankelijk van de oriëntatie van het gaas. Dat betekent dat de buisjes na productie gesorteerd moeten worden. Een andere optie, eind vorig jaar getoond aan de University of South Carolina, is een bundeltje nanobuisjes te gebruiken, zodat de eigenschappen uitmiddelen.

In Nederland zijn nanobuisjes voor elektronica sinds Dekkers vondst echter niet zo in trek. Liever kijkt men naar exotische toepassingen. De Leidse onderzoeker dr.ir. Tjerk Oosterkamp heeft bijvoorbeeld gewerkt aan nanobuisjes als ‘vinger’ van een atoomkrachtmicroscoop, die een beeld van een oppervlak opbouwt door dat voorzichtig af te tasten. Het bijzondere aan Oosterkamps microscoop was dat deze ook oppervlakken in een natte omgeving kon aftasten.

Aan de TU Delft bestudeert de groep van prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven de mogelijkheid die nanobuisjes bieden om quantum dots van te maken. Dit zijn ‘doosjes’ waar enkele elektronen in vallen op te slaan, met behoud van hun draairichting ofwel spin. Quantum dots zijn potentiële bouwstenen voor quantum computers, zodat het nanobuisje ook daarmee in verband gebracht kan worden.

In Groningen heeft prof.dr.ir. Bart van Wees zich bezig gehouden met nanobuisjes als spinfilter voor elektronen, dat wil zeggen als vehikel om elektronen met behoud van hun spin te transporteren. Dit is onder meer interessant voor de spintronica, een onderzoeksgebied dat bekijkt of het mogelijk is een bit duurzaam op te slaan in een enkel elektron.

Van Wees heeft de nanobuisjes echter verlaten ten gunste van grafeen, een los velletje kippengaas van koolstofatomen. ‘Het leggen van contacten aan nanobuisjes is lastig’, legt hij uit. ‘Bovendien kun je met grafeen, omdat het tweedimensionaal is, allerlei structuren maken. Het enige nadeel is dat mooi uniforme grafeenlagen moeilijk te maken zijn, maar ik ga ervanuit dat dit snel zal veranderen. Vandaar geen nanobuisjes meer.’

Omdat ze zo lang zijn, werken er forse Van der Waalskrachten op het oppervlak van een nanobuisje. Bijgevolg plakken de buisjes verschrikkelijk goed – aan een oppervlak of aan elkaar. Dat maakt verwerking ervan, zeker op grote schaal, bepaald niet eenvoudig.

De eerste toepassingen zijn dan ook redelijk prozaïsch. Zo bestaan er onder andere lichtgewicht fietsonderdelen waarin nanobuisjes dezelfde rol spelen als andere vezels, namelijk zorgen voor sterkte. Om dezelfde reden valt aan kogelvrije vesten te denken.

Er zijn meer bulktoepassingen van de buisjes. Als dunne film blijken ze geschikt om sensoren van te maken, aangezien de elektrische eigenschappen snel veranderen onder invloed van externe factoren. Omdat ze tegelijkertijd zo sterk zijn, zouden ze mooi in flexibele touch screens gebruikt kunnen worden. Ook zonnecellen behoren tot de mogelijkheden. Chinese onderzoekers presenteerden vorig jaar zelfs een luidspreker op basis van nanobuisfilm. Als toepassing hadden ze onder andere een vlag die het volkslied zingt in gedachten.

Tot de bedachte bulktoepassingen behoren ook meer futuristische ideeën, zoals een vliegwiel van nanobuisjes, dat sterk genoeg zou zijn om zulke snelle omwentelingen te halen dat de energiedichtheid die van benzine benadert. Een weefsel van nanobuisjes is in theorie ook sterk genoeg om een ruimtelift te maken, dat wil zeggen een lint dat vanaf de aarde honderden kilometers de ruimte in gaat zonder onder zijn eigen gewicht te bezwijken, waarlangs goederen omhoog gehesen kunnen worden.

Ondertussen wordt ook de kunst om individuele nanobuisjes op massale schaal te verwerken beter beheerst. Een van de bedrijven die op dit terrein het meest aan de weg timmert is het Amerikaanse Nantero, dat een methode heeft gevonden om computergeheugen te maken in de vorm van een grid van nanobuisjes. Ieder kruispunt is een bit, en het geheel is veel kleiner dan bestaande geheugens, beter bestand tegen storende invloeden als magnetische velden en zuiniger met energie.

Nantero claimt uitsluitend bestaande chipproductietechnieken te gebruiken en heeft diverse partnerschappen, onder andere met ASML, maar vooralsnog is het nanogeheugen niet op de markt. Dat duurt nog twee jaar, zegt het bedrijf, maar dat zei het ook in 2002, toen het begon. Het probleem lijkt niet zozeer in het technologische principe te zitten, maar in de prijs/kwaliteitverhouding die nodig is om de moordende geheugenmarkt te kunnen betreden. Nantero ging overigens vorig jaar wel in zee met HP om chips te printen, maar nanobuis-inkt is dan weer een bulktoepassing.