Waar wij trots op zijn - Ontdekker van het jaar - Universiteit Leiden

Sense Jan van der Molen
Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde
Een molecuul als elektrische stroomdraad
Sense Jan van der Molen onderzoekt wat er gebeurt als je heel
kleine moleculen gebruikt als stroomdraadjes. Hij liet zien dat
de kwantummechanica daarbij een bijzondere rol speelt, zelfs bij
kamertemperatuur. Zijn onderzoek levert niet alleen nieuwe kennis
op, maar heeft in de toekomst wellicht ook nuttige toepassingen.
Voor leken zijn ze niet te bevatten: de wetten van de kwantummechanica.
Die stellen onder meer dat een deeltje op twee verschillende
plekken tegelijk kan zijn. Dat elektronen in een ringetje
tegelijkertijd twee kanten op kunnen lopen. Dat iets tegelijkertijd
de waarden 0 en 1 kan hebben. Dat licht zowel uit deeltjes als uit
golven bestaat. Kortom, een verzameling mystieke fenomenen
die nauwelijks te begrijpen zijn. “Maar ze zijn wél natuurkundig
te bewijzen”, zegt Sense Jan van der Molen, associate professor
natuurkunde. “Het is alleen de kunst om daarvoor de juiste
experimenten te verzinnen.”
Van der Molen onderzoekt hoe afzonderlijke moleculen stroom
geleiden. Dat doet hij door ze aan twee kanten vast te maken aan
een geleidend contactpunt en daar vervolgens spanning overheen
te zetten. Dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan: het is gepriegel
op nanometerschaal. “Het leuke daarvan is”, zegt Van der Molen,
“dat je zo natuurkunde en scheikunde samenbrengt. De scheikunde
van de moleculen, en de natuurkunde van de theorie en
de experimenten.” Van der Molen en zijn promovendus Constant
Guédon wisten aan te tonen dat moleculen zelfs bij kamertemperatuur
een bijzondere vorm van kwantummechanisch gedrag
kunnen vertonen. In dikkere draden treden zulke kwantumeffecten
alleen op bij extreem lage temperaturen.
De fysici voeren hun experimenten uit met organische moleculen
die daarvoor speciaal zijn gemaakt door de Groningse chemici
Hennie Valkenier en Kees Hummelen. Het gaat om ketens die
een aantal benzeenringen bevatten. Benzeen is een zeshoekige
verbinding van koolstofatomen die een deel van hun elektronen
met elkaar delen. Juist die laatste eigenschap is interessant voor
experimenteel natuurkundigen. Van der Molen: “Die gedeelde
elektronen zijn vrij om te bewegen. De vraag is: betekent dat dan
ook een goede geleiding? En in hoeverre gedraagt zo’n systeem
zich dan volgens de wetten van de kwantummechanica?”
De logische vervolgvraag is of je de stroom door een molecuul
ook kunt manipuleren, zegt Van der Molen, zodat je moleculaire
minischakelaars kunt maken. “Schakelaars die aan- en uitgaan
wanneer het systeem heen en weer switcht tussen een geleidende
en een niet-geleidende vorm”, legt hij uit. “Een schakelaar van
één nanometer groot is een droom van ons vakgebied. Je zou een
supercomputer kunnen maken met een enorm aantal schakelaars
en geheugenelementjes. Een chip met een enorme informatiedichtheid.
En het mooie is: zulke moleculen zijn heel goedkoop.”
Maar er is wel een probleem, relativeert hij meteen: zo’n chip
moet natuurlijk een aantal jaren mee gaan. En dat is lastig met
zulke afzonderlijke moleculen: die gaan los zitten, verschuiven, of
ze vallen uit elkaar onder invloed van zuurstof. Zulke praktische
problemen zijn niet zozeer iets waar hij zich zelf mee bezig houdt,
zegt Van der Molen: “Wij creëren mogelijkheden waar anderen
op kunnen voortborduren. Zo’n chip is misschien wat ambitieus,
maar je kunt bijvoorbeeld ook denken aan sensoren die reageren
op zuurgraad of op licht.”
15