Stel, je staat op het strand, en je kijkt naar de zee. Dan kun je goed zien waar de zandbanken liggen: daar breken de golven op. De krabben die op de zandbank lopen, zijn te klein om zo op te sporen. De golflengte van het bewegende water is zoveel groter dan een krab, dat een golf er gewoon omheen kronkelt. Een krab kun je wel gewoon zien met je ogen: die vangen het licht op dat vanaf het diertje terugkaatst.

Wil je nou iets zien dat veel kleiner is, het virus waar de krab ziek van wordt, bijvoorbeeld, dan lukt dat niet zomaar. Virussen zijn zo klein dat het licht daar omheen gaat, net als de golven bij de krabben. Je hebt kleinere golflengtes nodig om die zichtbaar te maken.

Dat kan met elektronen: dat zijn zowel deeltjes als golven. Je kan ze ergens op af of juist doorheen schieten, en met behulp van de terugkaatsende of door je onderwerp heenvliegende elektronen kun je een afbeelding maken. Zo krijg je zelfs losse atomen in beeld, een miljard keer kleiner dan een krabbetje.

Nobelprijs

Als je een apparaat bouwt dat dat doet, heet dat een elektronenmicroscoop. De allereerste werd al in de jaren dertig gebouwd, door de Duitser Ernst Ruska. Maar liefst vijftig jaar later, vlak voor zijn dood, zou hij er een Nobelprijs voor krijgen.

‘Hij toonde aan dat het kon, maar hij dacht in eerste instantie dat het domme techniek was’, vertelt natuurkundige Daniël Geelen. ‘De platinagaasjes die hij wilde bekijken, smolten de hele tijd. Pas later kwam hij erachter dat hij beter heel dunne gaasjes kon gebruiken.’

Dat zit zo: elektronen zijn niet alleen golven, maar ook deeltjes. Om ze door je te onderzoeken monster heen te kunnen schieten, moet je ze een flinke energie meegeven. Die hoog-energetische elektronen kegelen vervolgens de elektronen en atomen in je monster van hun plek. Je maakt je samples dus stuk met hetzelfde spul waarmee je ze in beeld wil brengen. ‘Als je een eiwit wil zien en je doet het niet goed, dan zit je te kijken naar hoe een ei kookt’, legt Geelen uit.

Hij en zijn collega’s hebben echter een oplossing verzonnen. Als je de elektronen juist met een heel lage energie door je monster stuurt, een honderdduizendste van wat een normale elektronenmicroscoop gebruikt, komen ze én door je monster heen, én maken ze niets kapot onderweg. Geelen gooit een sleutelbos in de lucht, om te laten zien hoe die steeds langzamer beweegt tijdens het hoogste punt van de boog: ‘Dat is wat we met onze elektronen doen. We remmen ze af met een elektrisch veld, zodat ze heel langzaam door het sample heen gaan.’ Ze hebben zo weinig energie dat ze niet meer kúnnen botsen: ze sluipen er als het ware doorheen.’

Kerkhof

Dat klinkt misschien simpel, maar het is niet simpel om het echt te maken. Geelen heeft ‘een heel kerkhof’ van verbrande onderdelen, van alle mislukte pogingen om de benodigde hoogspanning goed te krijgen. Het mechanisme dat vervolgens een afbeelding moet maken van de elektronen is moeilijk om te maken, en het corrigeren van de ‘lenzen’ was een enorme opgave.

‘Bij een elektronenmicroscoop is je lens een magneetveld. Glas kun je bijslijpen zoals je wil, maar je kan niet slijpen aan de Maxwell-vergelijkingen die de relatie tussen magnetisme en elektriciteit beschrijven’, verzucht de promovendus.

Het was bovendien maar de vraag of het trucje zou lukken. ‘Heel veel mensen zeiden dat het niet kon, omdat de langzame elektronen allerlei quantummechanische wisselwerkingen zouden aangaan met het monster. Wij zijn het gewoon gaan proberen; niemand anders had het gedaan.’

Goudbolletjes

Net als Ruska moest ook Geelen beginnen met dunne samples. Zijn eerste metingen waren aan grafeen, een vorm van koolstof die slechts één atoom dik is. ‘Uiteindelijk willen we daar andere dingen op gaan leggen, zodat we aan die dingen kunnen meten.’ Goudbolletjes van enkele nanometers groot lukken ook al, eiwitten staan nog in de planning.

Geelen: ‘We kunnen de energie die we de elektronen meegeven heel voorzichtig en gecontroleerd opschroeven. Op die manier kun je precies zien wanneer ze wel schade beginnen te doen. Dat is een eigenschap die per materiaal verschilt, en belangrijk kan zijn om te weten.’

Toch is grafeen zelf ook al interessant om op deze manier te bestuderen, legt Geelens begeleider Sense Jan van der Molen uit. Omdat de elektronen met zo’n lage energie reizen, vertonen ze ander gedrag dan hun voortschietende collega’s uit een gewone elektronenmicroscoop. Geelen: ‘De beeldvorming komt tot stand via quantummechanische effecten, en die geeft je ook informatie over de wisselwerking tussen de verschillende lagen grafeen. We meten in een volkomen ander energiegebied, dan is de fysica ook anders.’

De resulterende afbeeldingen zijn abstracte vlakvullingen en de Leidse fysici hebben hun apparaat daarom ESCHER genoemd. Daar kwam wel wat puzzelwerk bij kijken: het staat voor Electronic Structure CHEmical nanoimaging in Real time.

De metingen zijn ook buitengewoon interessant voor het bedrijfsleven, dat er rekening mee houdt dat binnen afzienbare tijd allerlei elektronica op basis van grafeen wordt gemaakt. Of voor onderzoek naar rondschietende elektronen die niet uit een microscoop komen. Geelen: ‘Als er bijvoorbeeld een röntgenfoto van je wordt gemaakt, activeert de straling elektronen in je lichaam. Wat doen die precies? Dat kun je met een gewone elektronenmicroscoop niet onderzoeken, maar wel met die van ons.’

Bart Braun