Skip to content


‘Alle goede technieken zijn simpel’

Delta, 25 nov 2009 – Interview

Prof.dr. Urs Staufer is vooral bekend geworden als de man die de microscoop bouwde waarmee zandkorrels op Mars zijn bekeken. In zijn oratie ging hij verder en sprak over ‘nanofabricage’.

WIE IS URS STAUFER?
Prof.dr. Urs Staufer (Zwitserland, 1960) heeft een opmerkelijke loopbaan in het kleine. Zijn dissertatie aan de universiteit van Basel (1990) ging al over het maken van nanometer structuren op glasachtig materiaal met een scanning tunneling microscope (uitgevonden in 1981). Uit die tijd stamt ook zijn patent op het maken van ‘structuren met atomaire dimensies’. Daarna volgt anderhalf jaar bij IBM in de Verenigde Staten waar hij een geminiaturiseerde kolom maakt voor een elektronenmicroscoop. In 1992 keert Staufer terug naar Zwitserland voor een gecombineerde betrekking bij het IBM research laboratorium in Rüschlikon en de universiteit van Basel. Hij werkt er verder aan de elektronenkolom en weet er voor het eerst lithografie mee te bedrijven. In 1997 wordt hij onderzoeksleider van de groep aan de universiteit van Neuchatel. Daar ontwikkelt hij de ‘scanning force microscope’ voor de Marsmissie. Tien jaar later krijgt Staufer de TU-leerstoel micro- en nano-engineering bij Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen (3mE). Opvallende zijlijnen zijn Staufers interesse in talen en didactiek. Vrijdag 13 november was zijn oratie.
Vorig jaar mei is de Phoenix op Mars geland met een instrument van u aan boord. Maar waarom duurde het 64 Marsdagen voordat er resultaten kwamen?
“De eerste keer dat we een meting wilden doen, waren er wat problemen. Want als je een monster bij de sensor brengt, meet je de buiging van de hefboom. En zo snel je buiging meet, stop je de benadering. Dat gaat automatisch. We kregen toen valse positieve meldingen. Er werd een monster aangeboden, dat stopte. Maar op het beeld was niks te zien. Dat snapten we niet en we slaagden er niet in om beelden te krijgen. De coördinator van de missie vertelde ons dat we eerst maar moesten uitzoeken wat er aan de hand was voordat we opnieuw meettijd kregen toegewezen. We moesten dus terug naar het lab. Uiteindelijk vonden we dat er een klein verschil zit tussen de manier waarop de microscoop op Mars werkt, en die op Aarde. Op Mars staan de stappenmotoren altijd aan en de programmatuur was anders dan in de lab-versie. In het lab werden de motoren alleen aangeschakeld als ze gebruikt werden. Daardoor werd de opstelling in Mars warmer en dat veroorzaakte uitzetting waardoor het instrument misleid werd. Toen we dat eenmaal wisten, hebben we de programmatuur veranderd. Maar dat mag zomaar niet in de ruimtevaart, alles moet eerst gecontroleerd worden. Daardoor duurde het zo lang voordat we onze eerste meting konden doen.”
Dat moet een spannende tijd voor u geweest zijn.
“Dat was het zeker.”
Hing uw reputatie er vanaf?
“Ik denk niet dat het zo kritiek was. Ons instrument behoorde niet tot de kritische onderdelen van de missie. Het was de eerste keer dat men zo’n ingewikkeld instrument aan boord van een ruimtemissie op afstand bestuurde. Gelukkig hadden we een compleet systeem in het laboratorium staan waaraan we konden werken om te zien wat er aan de hand was.”
Hoe klein en licht was uw instrument eigenlijk?
“Ik kan het laten zien. Het geheel heeft drie delen: deze scanner, de elektronica en een bemonsteringsgedeelte. De scanner is dit zwarte apparaatje, dat kleiner is dan een luciferdoosje. Daar steekt aan de korte zijde een chip uit met acht hefboompjes zo dun als een haar om de oppervlakte mee af te tasten. Je kunt ze net onderscheiden. Ze zijn een halve millimeter lang en aan het eind zit een spits van een paar micrometer groot die eindigt in een paar atomen. We meten de buiging van de hefboom met een ingebouwde spanningsmeter. In het zwarte doosje zitten drie spoeltjes in een magneetveld, zoals bij een luidspreker. Aan het bewegende deel van de speaker zit een driehoekig platform waar de chip aan vast zit. Dus als je de luidspreker activeert, beweegt het platform en daarmee de chip. Zo kunnen we de tip over een oppervlak sturen dat we willen aftasten.”

Slim. En u hebt acht hefboompjes in geval er een afbreekt?
“Dat klopt. Op Aarde heb je er maar een en als dat stuk gaat vervang je het. Op Mars gaat dat niet. Als er een aftaster kapot gaat moeten we die afbreken. Dat doen we met een snijdend randje op het monsterwiel dat een hefboompje kan doorzagen. Op Aarde ging dat goed, maar de eerste keer dat we dat op Mars moesten doen waren we erg zenuwachtig. Gelukkig werkte het.”
En wat kost zoiets?
“Het is moeilijk er een prijskaartje aan te hangen. Ons budget was ongeveer drie à vier miljoen dollar over tien jaar. De hele missie kostte vijfhonderd miljoen dollar. Zo bezien was ons  instrument het goedkoopste aan boord. En als je weet wat alleen al het transport van een gram naar Mars kost, namelijk tienduizend dollar. Deze scanner weegt vijftien gram, de elektronica honderd gram. We waren dus echt de goedkoopste partij aan boord.”

U hebt dus de lichtste atomic force microscope (AFM) ooit gemaakt?
“Dat zou goed kunnen.”
Hoe is de Nasa hiervoor bij u terecht gekomen?
“Tot op zekere hoogte was dat toeval. We werkten in Zwitserland aan een project, en een van de medewerkers was daarvoor postdoc geweest bij het Nasa Jet Propulsion Lab. Daar bedachten ze dat een AFM-microscoop aan boord van een Marsmissie een mooie aanwinst zou zijn. Ze kwamen naar Zwitserland naar IBM in Rüschlikon, waar de uitvinder van de AFM, Gerd Binnig, toen werkte. Ze kwamen met zijn drieën bij ons op het lab hun oude postdoc opzoeken. Die nodigde me uit voor hun praatje over een AFM in de ruimte. Ik vond dat wel interessant omdat we net aan een AFM werkte die met microtechnologie gemaakt zou gaan worden. Ik had eigenlijk geen idee wat een AFM voor in de ruimte inhield, maar ik vertelde ze dat we ze wel konden helpen. Ja ja, zeiden ze maar ze hielden de boot af. Maar bij IBM bleek dat het bedrijf er niks in zag. Een half jaar later belden ze: ‘Urs, heb je nog interesse’. ‘Ja,’ zei ik. ‘Natuurlijk’.”

Had u destijds het vertrouwen dat het u zou lukken, of was het bluf?
“Ik wist dat we het konden. Ik dacht wel: massa is kritisch. Gedurende de lancering zijn er enorme trillingen, maar zo lang de massa gering is, geldt dat ook voor de krachten. Bij de landing ook. Daar werpen ze het hitteschild af met explosieven. Dat geeft een schokgolf van 2500 keer de zwaartekracht. Hoe lichter dus, hoe beter. En, laten we eerlijk zijn, AFM is een simpele techniek. Het is als een blindeman die zijn weg vindt. Het is niet ingewikkeld, en dat is ook de schoonheid ervan. Alle goede technieken zijn simpel. Ik had er dus wel vertrouwen in en binnen een jaar hadden we het instrument klaar.”

In uw oratie sprak u over nano-instrumenten. De Phoenix-microscoop is een mooi voorbeeld. Welke andere toepassingen ziet u?
“Met deze instrumenten hebben onderzoekers geleerd hoe materie werkt op deze schaal. Een van de bekendste voorbeelden is Don Eigler die atomen verplaatste in een gewenst patroon. We zitten nu in het tijdperk dat we de fundamentele verschijnselen willen begrijpen. Als we die kennis technisch willen gebruiken om een bepaald probleem op te lossen, kun je denken aan een slimme verandering van oppervlakten waardoor het een goede katalysator wordt. Dan wordt het interessant. Maar twee uur besteden aan het arrangeren van tientallen atomen schiet natuurlijk niet op.”

U sprak over tienduizend robotjes die allemaal van informatie en materiaal voorzien moeten worden.
“Eerst moeten we uitzoeken hoe zulke robotjes kunnen samenwerken. Daar hebben we er geen duizenden voor nodig. Vier tot tien is genoeg.”
Ik vind het nog wat vaag. Wat gaan die robotjes samen maken?
“Laten we eens een voorbeeld nemen. Als gereedschap is er niet alleen de AFM-tip, er zijn verschillende gereedschappen. We werken aan een nanopipet, een holle microscooptip eigenlijk, waarmee je vloeistof kunt aanbrengen om lokaal iets te oxideren. Je kunt de oxidegroei meten en wanneer het ver genoeg is, breng je een neutraliserend stofje aan. Daarvoor heb je twee of drie instrumenten nodig. Je kunt ook denken aan een grijpertje en een boor, alles op micronschaal.”

Maar wat ze ook maken, het is altijd heel klein. Hoe krijgt zoiets impact in de macrowereld?
“Als je eenmaal weet hoe ze kunnen samenwerken, moet je kijken of je ze in een lijn kunt zetten. Die kan een meter breed zijn en een miljoen robots bevatten. En dan kun je ook denken aan lopende band productie van grote oppervlakten. Dat is niet ondenkbaar. Toepassingen in biologische systemen en medische toepassingen liggen het meest voor de hand. Denk aan verandering van de oppervlakte van een implantaat waardoor het metaaloppervlak aantrekkelijk wordt voor een bot om zich aan te hechten.”
Tot slot, wat maakt Delft aantrekkelijk voor u?
“Alles is er. We hebben Technische Natuurwetenschappen aan de overkant met alle fundamentele kennis van het Kavli-instituut, dan hebben we Dimes om dingen te maken, we hebben elektrotechnici, we hebben binnen 3mE de afdeling systems & control, we hebben een sectie materiaalkunde. Het is er allemaal.”

Weblink naar Deltapagina

Staufers pagina op Phoenix website

Posted in Delta.


0 Responses

Stay in touch with the conversation, subscribe to the RSS feed for comments on this post.

You must be logged in to post a comment.