Stel je een apparaatje voor dat de willekeurige (thermische) bewegingen van atomen en moleculen omzet in een gerichte kracht en zo warmte verandert in bruikbaarder vormen van energie: ideaal voor allerlei toepassingen. Helaas gooit de Tweede Hoofdwet van de thermodynamica roet in het eten. Die stelt namelijk dat je altijd een externe energiebron nodig hebt om zo’n apparaatje aan de gang te houden: een perpetuum mobile kan dus niet bestaan.

Daarom richt Martijn Kemerink, universitair hoofddocent bij Technische Natuurkunde, zich met zijn groep op de ‘next best thing’: elektronica die een ongericht elektrisch signaal omzet in een gericht signaal. Want zo kun je de elektronische ratel beschrijven: een apparaatje dat een wisselspanning omzet in een gelijkstroom. Maar met deze vereenvoudigde beschrijving verlies je zicht op het unieke achterliggende principe van de nieuwe vinding. Daarom illustreren Kemerink en zijn promovendus Erik Roeling de werking van hun device bij voorkeur aan de hand van een wasbord met knikkers. Of liever nog: twee wasborden.

Roeling pakt het eerste wasbord -voorzien van symmetrische ribbels- en schudt het van links naar rechts en weer terug. Als hij dit in het juiste ritme doet (niet te snel, want dan hebben de knikkers niet de tijd om te reageren, maar ook niet te langzaam, anders is de kracht die de knikkers ondervinden niet groot genoeg om de hobbels te nemen), verspreiden de knikkers zich langzaam over het hele wasbord.

De knikkers bewegen niet vaker naar de ene dan naar de andere kant. Als de knikkers elektronen waren geweest, zou er dus geen stroom lopen, legt Roeling uit: “Dat komt doordat zowel het schudden als het wasbord zelf symmetrisch is. Er is geen netto kracht op de knikkers. Maar dat verandert als je een asymmetrisch wasbord neemt.” Hij pakt een tweede wasbord (zie foto) met zaagtandvormige ribbels en begint weer te schudden. De knikkers verspreiden zich nog altijd, maar bewegen gemiddeld ook naar één kant van het bord. De asymmetrische ribbels vormen in natuurkundig jargon een asymmetrische ‘potentiaal’ - een krachtenveld met pieken en dalen waarin de knikkers zich links en rechts geconfronteerd zien met hellingen met een verschillend hellingspercentage. Net als voor wielrenners zijn sommige hellingen voor de knikkers te steil. Het is de elektronische ratel in een notendop.

Een ratel is behalve een luidruchtig muziekinstrument ook de gebruikelijke term voor een mechanisme dat beweging in een bepaalde richting mogelijk maakt, maar de terugweg blokkeert. Het elektronisch equivalent van een ratelmechanisme (‘ratchet’ in het Engels) voegden Roeling en Kemerink, in nauwe samenwerking met de experts van het COBRA-onderzoeksinstituut, door middel van asymmetrisch geplaatste elektrodes aan een transistor toe. Op deze elektrodes wordt een wisselspanning aangeboden - het periodieke ‘schudden’ in de wasbordanalogie. De elektronen in de transistor, de fundamentele bouwsteen van elektronische schakelingen in computerchips, worden zo gedwongen tot een complexe dans die ze uiteindelijk in één richting leidt. Hoewel er geen spanning wordt aangelegd over de transistor als geheel en de externe kracht (in de vorm van de wisselspanning) netto nul is, heeft deze toch een gerichte stroom tot gevolg. Anders dan bij de knikkers op het wasbord blijkt de richting van de stroom gevoelig af te hangen van de frequentie van de wisselspanning. “Zulk gedrag is typisch voor ratchets, maar niet intuïtief te begrijpen.”

Daarmee zijn ze een flinke stap verder dan collega’s ooit gekomen zijn. “Tot nu toe was men er slechts in geslaagd om bij extreem lage temperaturen op deze manier stroom op te wekken. En dat ging ook nog eens om piepkleine stromen en spanningen van niet meer dan een paar millivolt. Terwijl wij nu al meer dan 9 volt hebben gehaald en zo’n vijf microwatt.” En dat is voldoende om een logische schakeling aan te drijven, zoals de onderzoekers aantoonden. De vinding kan volgens hen leiden tot een nieuwe methode voor draadloze aandrijving van micro-elektronica met een lage energieconsumptie, zoals identificatietags, geïmplanteerde chips of sensoren.

De groep van Kemerink, die in 2006 een Vidi-subsidie kreeg voor dit onderzoek, maakt deel uit van Molecular Materials and Nanosystems van prof.dr.ir. René Janssen. Het mag dan ook niet verbazen dat de gebruikte transistor is gebaseerd op organische materialen. Kemerink: “Dat heeft als voordeel dat de frequentie waarmee je de elektronische ratel kunt aansturen precies in een praktisch bereik valt. Bij conventionele elektronica zou die frequentie veel hoger liggen en heb je miljoenenapparatuur nodig om de effecten überhaupt te meten.”

Kemerink begeleidt nog een tweede Vidi-promovendus, Wijnand Germs, die op een aanverwant experiment zit, vertelt de groepsleider. “Je kunt de halfgeleider weghalen, maar wel de asymmetrische elektrodes aanbrengen. Als je daar dan een vloeistof met geladen deeltjes op zet, kun je die deeltjes ook laten bewegen. Dat is leuk omdat je ervoor kunt zorgen dat de kleine deeltjes naar een kant bewegen en de grote naar de andere. Op die manier kun je een ontzettend gevoelige deeltjeszeef maken. We hopen dat dit onderzoek binnenkort ook tot een mooie publicatie leidt.” (TJ)