Natuurkundige Sense Jan van der Molen ‘sjoelt’ met elektronen
Natuurkundige Sense Jan van der Molen onderzoekt materialen die niet in de natuur bestaan. ‘Het is fascinerend om te zien hoe de eigenschappen van een materiaal veranderen als we het superdun weten te maken.’ Op 21 oktober spreekt hij zijn oratie uit.
Zelf werkt de natuurkundige aan het bouwen van nieuwe materialen. ‘Samen met collega’s wil ik materialen kunnen ontwerpen waarvan wij zelf de eigenschappen van tevoren bepalen. Om te bepalen welke bouwstenen we daarvoor moeten gebruiken, doen we fundamenteel onderzoek.’
Van der Molen is hoogleraar Fysica van de gecondenseerde materie, wat betekent dat hij als natuurkundige onderzoek doet naar vaste stoffen. In zijn vakgebied worden vragen beantwoord als: waarom is glas doorzichtig, maar koper niet? En waarom geleidt koper wel elektriciteit en glas niet? Dat blijkt allemaal te worden bepaald door het gedrag van elektronen die in het materiaal zitten.
‘Samen met collega’s wil ik materialen ontwerpen waarvan wij zelf de eigenschappen bepalen.'
Supergeleider
Een beroemd voorbeeld van zo’n nieuw materiaal is dubbellaags grafeen. Iedereen heeft grafeen in huis. De grafieten kern van een potlood is namelijk opgebouwd uit een heleboel laagjes grafeen, elk precies één koolstofatoom dik. Van der Molen: ‘Als je twee laagjes grafeen op elkaar legt en het bovenste laagje een klein beetje draait (precies 1,1 graden, red.) ten opzichte van het onderste laagje, ontstaat er een supergeleider.’ Supergeleiding is bijzonder. Het zorgt ervoor dat elektriciteit door een materiaal kan lopen zonder verlies. Een nadeel is dat het materiaal in de buurt van de min 270 graden Celsius moet zijn om supergeleidend te zijn, waardoor het moeilijk in de praktijk is toe te passen. Natuurkundigen zoeken naar supergeleiders, die met minder koeling toekunnen.
In de natuur barst het van de materialen zoals grafiet. Door atomair dunne laagjes uit verschillende materialen te combineren, kunnen materialen worden gemaakt die in de natuur niet bestaan. ‘Er zijn oneindig veel mogelijkheden, maar wij moeten de juiste recepten zien te vinden’, zegt van der Molen. ‘Het leuke is dat we daarvoor heel veel experimenten kunnen doen. Als we dat goed doen, kunnen we denken aan toepassingen zoals nieuwe sensoren of specifieke halfgeleiders.’
‘Je kunt wel ongeveer voorspellen wat de eigenschappen van een nieuw materiaal gaan zijn, maar je weet het pas echt na een goed experiment.'
Experimenteren
Experimenteren doen Van der Molen en zijn collega’s op verschillende manieren. Een manier is om naar de elektrische geleiding te kijken, dus door stroom door het materiaal te sturen. ‘Maar dat doet eigenlijk iedereen’, zegt Van der Molen. ‘Wij kunnen hier in Leiden nog wat anders. Wij bekijken de atomaire laagjes met een elektronenmicroscoop, waardoor je ze nog gedetailleerder kunt bestuderen.’
Van der Molen vergelijkt de elektronenmicroscoop met een sjoelbak. De sjoelschijven zijn de elektronen die naar het materiaal worden geschoten. Het materiaal laat sommige elektronen toe en sommige niet. Dat hangt af van hun energie. Het materiaal is dus te vergelijken met de plank met gleufjes in de sjoelbak. Schuif je een schijf en kaatst deze terug, dan weet je dat er geen gleuf zit. Komt de schijf niet terug, dan weet je dat er een plekje is waar de schijf in is gegaan. Door te weten waar geen en juist wel plekjes voor elektronen zijn kan zijn vakgroep een soort kaart maken waarmee ze de eigenschappen van het materiaal goed kan bestuderen.
Pieken en dalen
Mooi aan zijn werk vindt de natuurkundige dat hij ‘in gesprek gaat met de natuur’. ‘Je kunt wel ongeveer voorspellen wat de eigenschappen van een nieuw materiaal gaan zijn, maar je weet het pas echt na een goed experiment. Onderzoek is een lange weg met diepe dalen en hoge pieken. Maar ook een mooie weg die ons langzaam maar zeker vooruit brengt.’
Tekst: Dagmar Aarts
Foto's: Sense Jan van der Molen, T.A. de Jong en D. Geelen.
Bannerfoto: De elektronenmicroscoop die Van der Molen gebruikt. Een zogeheten LEEM (lage-energie elektronenmicroscoop).