Vijfde portret in de serie Veni-winnaars

Slijtage op nanoschaal

Tandwieltje op microschaal. 1 micron (μm) is 0,001 mm. Met dank aan Sandia National Laboratories, SUMMiTTM Technologies,  www.mems.sandia.gov

Ze bestaan al wel, mechanische apparaatjes op microschaal. Maar door de wrijving tussen de bewegende delen gaan ze meestal snel kapot. Merlijn van Spengen is de grensvlakfysica ingedoken om dit probleem op te lossen.

Micromachientjes
Sinds een aantal jaren worden er, in navolging van de micro-elektronica, ook mechanische apparaatjes gemaakt op microschaal. Deze systemen heten MEMS of NEMS: micro/nano-electromechanical systems. Merlijn van Spengen ontwerpt ze. 'Alles eraan werkt net als in de grote wereld, zelfs met tandwieltjes', vertelt hij. 'Maar dan op een schaal van een tiende tot een duizendste millimeter. Heel klein, heel licht, en soms heel betrouwbaar.' Hoe komt het dan dat ze niet op grote schaal verkocht worden, terwijl hun broertjes, de halfgeleider-chips in de micro-elektronica, de wereld hebben veroverd?

Wrijving
'Dat komt', zegt Van Spengen, 'doordat micromachines de neiging hebben zichzelf te vernielen. Als de oppervlakken in zo'n component elkaar raken krijg je zoveel wrijving dat de machientjes binnen de kortste keren wegslijten. Er is een prachtig stoommachientje ontworpen op microschaal, dat het misschien een half uur doet en dan is het kapot.' In applicaties die wel succes hebben, zoals een chip met bewegende microspiegeltjes voor het projectiesysteem in een beamer, of een versnellingssensor in een airbag, glijden de componenten dan ook niet over elkaar.

Van der Waalskrachten
Het probleem van wrijving is bij microapparaatjes veel ernstiger dan bij gewone apparaten, omdat die apparaatjes relatief gezien juist een groot oppervlak hebben, legt Van Spengen uit. 'En die ultraplatte oppervlakken zijn heel gevoelig. Je vóelt de moleculaire Van der Waalskrachten, de chemische bindingen, en de elektrische lading in zo'n MEMS. Ook vormt zich onvermijdelijk condens tussen de oppervlakken. En je weet hoe moeilijk het is om twee glasplaten met een laagje water ertussen van elkaar te trekken. Dat is dezelfde kracht.' Smeermiddelen werken niet op microschaal; die zijn zo dik en stroperig dat de componenten er juist in vast komen te zitten.

Dr. Merlijn van Spengen: 'Je vóelt de moleculaire krachten en de elektrische lading'

Coatings
Natuurlijk doet de industrie er alles aan om het probleem van de wrijving te ondervangen. De oplossing wordt, niet verrassend, gezocht in coatings: harde dunne laagjes over het oppervlak van de componenten. Weinig systematisch, gewoon door trial en error probeert men erachter te komen welke materialen wel en niet werken. 'Die coatings moet je zeker niet uitvlakken', meent Van Spengen, 'maar je moet het probleem van wrijving ook systematisch en fundamenteel bestuderen.'

Wrijvingsmicroscoop
Dat gebeurt in Leiden, in de groep van de grensvlakfysica. Die groep heeft zelfs een speciale wrijvingsmicroscoop ontwikkeld, een zeer gevoelige Friction Force Microscope (FFM) die de Tribolever wordt genoemd. Het is een afgeleide van de Atomic Force Microscope (AFM), een tastmicroscoop die met een klein 'pick-up naaldje' afzonderlijke atomen kan voelen en in beeld om kan zetten. Anders dan een AFM, die verticale krachten meet, meet de wrijvingsmicroscoop krachten parallel aan het oppervlak. Wrijving dus.

Puntjes
Bekend is dat oppervlakken elkaar maar op heel kleine puntjes raken, puntjes die in MEMS 10 tot 10.000 atomen groot zijn. Het zijn die puntjes die de problemen opleveren. Deze wetenschap biedt openingen om de wrijving op een fundamentele manier aan te pakken, door te kijken naar de effecten die optreden op atomaire schaal. Op die schaal zijn twee varianten mogelijk om de wrijving te verminderen: superlubriciteit en thermolubriciteit. 'Eigenlijk moet je in goed Nederlands natuurlijk smering zeggen in plaats van lubriciteit, maar dat klinkt veel te veel naar olie.'

Trilling
Superlubriciteit houdt in dat expres een slechte pasvorm van kristalroosters wordt gemaakt, door de roosters van de oppervlakken ten opzichte van elkaar te verdraaien, waardoor de wrijving vrijwel verdwijnt. De andere manier om dit effect te bereiken is thermolubriciteit. Thermo betekent op de schaal van atomen dat deeltjes staan te trillen door de warmte. 'De oppervlakken staan nooit helemaal stil, ze zijn altijd aan het wiebelen ten opzichte van elkaar', legt Van Spengen uit. 'Je kunt dit gebruiken door met de temperatuur te spelen, maar je kunt een vergelijkbaar effect ook krijgen door geluidstrillingen te produceren of in een speciale elektrische aansturing te voorzien. Door de vibratie-energie te veranderen kun je ze net over een obstakel heen helpen en zo de wrijving verminderen.'

Plakkende oppervlakken
Merlijn van Spengen zelf komt uit de micro-elektronica en de micromechanica. Hij studeerde in Eindhoven, en vertrok vervolgens naar Leuven, naar het Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum IMEC, het grootste onafhankelijke onderzoekscentrum in zijn soort in Europa. In de tijd dat hij daar MEMS ontwierp, en promotieonderzoek deed naar de betrouwbaarheid daarvan - 'We keken nog niet naar wrijving, maar stuitten wel steeds op plakkende oppervlakken' - werden in Leiden op atomair niveau met behulp van de wrijvingsmicroscoop prachtige resultaten behaald met grafiet. Uit dit onderzoek bleek dat wrijving onder bepaalde condities geheel kan verdwijnen, terwijl de oppervlakken wél met elkaar in contact zijn. Maar in Leiden ontwierpen ze weer geen MEMS die dit inzicht konden benutten. Hier lag een terrein open voor samenwerking.

Ruis
Mooie strategische move dus, van Van Spengen. Maar zo blijkt het niet helemaal te zijn gegaan. Eigenlijk kwam hij in Leiden op een heel andere baan solliciteren. 'Ik wilde onderzoek doen naar ruis en snelle schakelingen in de Scanning Tunneling Microscope (STM).' Dat is ook een broertje van de AFM en de FFM, met dit verschil dat in de STM het oppervlak met een klein elektrisch stroompje wordt afgetast. Van Spengen: 'De STM heeft de groep wereldberoemd gemaakt, en daarom was ik erop afgekomen. Ze kunnen hier op videosnelheid beeldjes maken. De FFM, de wrijvingsmicroscoop kende ik zelfs nog helemaal niet. Maar Joost Frenken, de onderzoeksleider bij grensvlakfysica, hoorde me uit over mijn onderzoek naar MEMS, en zei: "Maar dan vind je ons wrijvingsonderzoek vast óók heel leuk".'

Kloof
Dat bleek goed geschoten. Van Spengen kwam naar de groep en vroeg een Veni-beurs aan voor wrijvingonderzoek, de ruis voorlopig de ruis latend. 'Wat ik wil gaan doen is de kloof opvullen tussen het onderzoek op atomair niveau en het onderzoek naar wat er in de MEMS-apparaatjes zelf gebeurt. Om het hele scala van lengteschalen te kunnen bestuderen heb ik drie typen meettechnieken nodig: die hele gevoelige wrijvingsmicroscoop, een 'normale' AFM/FFM microscoop voor iets ruwere systemen, én speciale MEMS die ik ga ontwerpen met het doel de wrijving elektronisch en optisch te meten. Dan krijg ik informatie op de schaal van MEMS zelf. Daarnaast hebben we natuurlijk een heel stuk theorie nodig.'

Superlubricatie met grafiet. De oppervlakken worden ten opzichte van elkaar gedraaid, zodat de wrijving wegvalt.

Belangen
Van Spengen heeft er drie jaar voor. 'In die drie jaar ga ik eerst MEMS maken die geschikt zijn voor wrijvingsonderzoek, en apparatuur ontwikkelen.
Tegelijkertijd ga ik verschillende bestaande coatings bekijken met de  wrijvingsmicroscopen, en breng ik die coatings ook aan op de MEMS-componenten.'

Een groot apparaat voor micrometingen: de Triboscoop (Tribolever FFM)

De tip van de Tribolever kan evenwijdig aan het oppervlak alle kanten op om wrijving op atomaire schaal te detecteren.

'Ik wil erachter komen op welke schaal het mis gaat, en waarom. Ik zei net al: de coatings moet je zeker niet uitvlakken. De oplossing ligt hoogstwaarschijnlijk in geoptimaliseerde coatings. Sommige werken misschien al gedeeltelijk op basis van superlubriciteit of thermolubriciteit, alleen weten de bedenkers van die coatings dat zelf nog niet. De makers van MEMS en coatings werken graag mee aan dit onderzoek, zodat het niet zo'n probleem zal zijn om aan materiaal te komen.'

'Maar ik moet wel doorwerken. Er zijn twee andere groepen heel actief met dit soort onderzoek bezig, één in Amerika en één in Zwitserland. We zijn hier in Leiden misschien nog de enige groep die beide kanten van het spectrum aanpakt, maar de belangen zijn groot, en de anderen zitten vast ook niet stil.'