Kunnen we het licht dat wordt uitgezonden door atomaire defecten in 2D-materialen gebruiken als gevoelige nanosensoren om biomoleculen zoals DNA en eiwitten te sequencen? Met deze technologie kunnen we de diagnose, preventie en behandeling van ziekten zoals kanker verbeteren. Tetsuo Martynowicz, student High-Tech Engineering, richt zich voor zijn afstudeerproject op de rol van spanning in de eigenschappen van deze atomaire defecten.
Wat ben je precies aan het onderzoeken?
Ik ben aan het onderzoeken hoe de eigenschappen van hele kleine lichtbronnen, ook wel kwantumemitters genoemd, worden beïnvloed door mechanische spanning in atomair dunne 2D-materialen zoals hexagonaal boornitride (h-BN). Ik probeer hiermee de locatie en de kleur van deze lichtbronnen op nanometerschaal (vergelijkbaar met de grootte van een atoom) te besturen. We kunnen defecten creëren in de kristalstructuur van h-BN door atomen te verwijderen of nieuwe elementen toe te voegen. Wanneer je een laser op deze defecten richt, zullen ze lichtpakketjes terugsturen, zogenaamd fotonen. Dit fenomeen, kwantumemissie, ontstaat door de unieke elektronische structuur in deze defecten. Om deze lichtgevende defecten bruikbaar te maken in praktische toepassingen, moeten we hun locatie en uitgestraalde kleur reguleren. Ik onderzoek het effect van mechanische spanning, wat de elektronische structuur vervormd, op de emissie eigenschappen van de defecten.
Waarom is dit belangrijk?
Het uitgezonden licht door deze defecten kan worden gebruikt voor verschillende toepassingen zoals kwantumcomputing, communicatie en sensing. De onderzoeksgroep waarin ik werk, richt zich op het gebruik van deze defecten als nanosensor om biomoleculen zoals DNA en eiwitten te sequencen en identificeren. Deze biomoleculen spelen een essentiële rol in de gezondheid en werking van cellen. Het nauwkeurig monitoren van deze defecten kan helpen bij het verbeteren van het diagnosticeren, voorkomen en behandelen van ziekten zoals kanker.
Hoe ziet je onderzoeksmethode eruit?
Ten eerste zal ik met behulp van plakband een vlokje van een paar atoomlagen dik van het bulk h-BN-kristal pellen. Vervolgens wordt het vlokje overgebracht naar een siliciumchip, vergelijkbaar met een chip in je telefoon of computer. Ten tweede zal ik defecten creëren in het h-BN door het vlokje te bombarderen met geïoniseerd zuurstofgas. Deze ionen hebben genoeg energie om atomen van het kristaloppervlak te slaan. Ten derde verhit ik de plasma-behandelde chip tot ongeveer 850 °C. Omdat h-BN en silicium verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten hebben, wordt spanning opgewekt in het h-BN bij het opwarmen en afkoelen. Ten slotte zal ik verschillende meetapparaten en microscopen gebruiken om de spanning in het materiaal te kwantificeren en de locatie en het kleurenspectrum van het uitgestraalde licht door de defecten te analyseren.
Waar keek je van tevoren het meest naar uit?
Ik heb altijd genoten van praktisch werk tijdens mijn bachelor en master. Dus wat me bijzonder enthousiast maakte voor dit project was de combinatie van theorie en praktisch werk om zelfstandig samples te fabriceren en te analyseren in de laboratoria. Het geeft me een sterk gevoel van verantwoordelijkheid over mijn project en het biedt een waardevolle kans om hands-on ervaring op te doen met zeer geavanceerde apparatuur.
Wat wordt je grootste uitdaging?
Ik heb weinig ervaring in de nanowetenschap. Dit project daagt mijn begrip van de natuurkunde echt uit en dwingt me om buiten de conventionele grenzen van klassieke werktuigbouwkunde op macroscopische schaal te denken. Bovendien, moet ik vertrouwd raken met een breed scala aan fabricage- en meettechnieken die voor mij vrij nieuw zijn.
Wat is het belangrijkste dat je hebt geleerd tot nu toe?
Het is een cliché, maar als je werkt aan een project waar je gepassioneerd over bent en dat echt je nieuwsgierigheid prikkelt, zul je het veel gemakkelijker hebben. Het helpt ook om je literatuur georganiseerd te houden.
Waar heb je tot nu toe het meest van genoten?
Ik heb genoten van het bestuderen van literatuur en het onderdompelen in de wereld van nanotechnologie. De natuurkunde op deze schaal is intrigerend en soms uitdagend om volledig te begrijpen. Bovendien vond ik het leuk om nieuwe vaardigheden te leren en te werken in de laboratoria.
Wat is de volgende stap?
Er is nog veel meer onderzoek nodig om kwantumemitters in 2D-materialen een toepasbare technologie te maken voor het sequencen van eiwitten. Er moet bijvoorbeeld nog veel meer onderzoek worden gedaan naar de energieoverdracht tussen eiwitten en emitters, en het transport van moleculen over het h-BN-oppervlak.
Wat zijn je toekomstplannen?
Het is altijd een droom van mij geweest om bij de Nederlandse krijgsmacht te gaan, dus ik hoop dat doel na mijn afstuderen na te streven. Na een paar jaar van dienst wil ik mijn carrière voortzetten bij een bedrijf in de high-tech industrie.
Studie gerelateerd
Waarom heb je voor Werktuigbouwkunde gekozen? En voor High-Tech Engineering specifiek?
In eerste instantie wist ik niet zeker wat ik wilde studeren, maar uiteindelijk koos ik voor werktuigbouwkunde omdat het je een solide basis biedt in wiskunde, mechanica, dynamica en analytisch denken. Ook trokken de vele leuke projectgerichte vakken waarin je leert systemen te ontwerpen en te bouwen mij aan. Gelukkig bleek dit een goede beslissing te zijn. Voor mijn master koos ik voor High-Tech Engineering omdat het een uitgebreid studieprogramma is met veel verschillende specialisatiegebieden. Het gemeenschappelijke doel van onderzoek in deze vakgebieden is om de prestaties van systemen te maximaliseren op het gebied van snelheid, precisie, massa en energieverbruik. Vanuit een technisch oogpunt vind ik dit heel gaaf en interessant.
Welke kennis vanuit je bachelor Werktuigbouwkunde kwam goed van pas?
Werktuigbouwkunde heeft me geholpen bij het ontwikkelen van probleemoplossende vaardigheden, kritisch denken en de tools om een onderzoeksproject op te zetten.
Welke onderdelen vanuit je MSc High-Tech Engineering kon je toepassen?
In tegenstelling tot het bachelor programma ben je als masterstudent meer op jezelf aangewezen en wordt er van je verwacht dat je meer verantwoordelijkheid neemt. Dit begint met het samenstellen van je vakkenpakket, het ontvangen van minder begeleiding van docentassistenten en het regelen van je eigen scriptie. Ik denk dat deze onbewust ontwikkelde onafhankelijkheid me heeft geholpen bij het opzetten van mijn scriptie en het vertrouwen heeft gegeven dat ik deze succesvol kan voltooien.
