De Britse hoogleraar Mike Kelly denkt dat zelfs nu we in staat zijn om atomen precies op een plek te zetten, er intrinsieke grenzen zijn aan de grootschalige productie van minuscule nanostructuren.
De Britse hoogleraar onderbouwt zijn stelling in een artikel in het blad Nanotechnology. Het kan wel eens bekend worden als het theorema van Kelly. Hij hoopt overigens dat er mensen zijn ongelijk zullen bewijzen, vele wetenschappers zouden dan een zucht van opluchting slaken. Voor investeerders die miljarden investeren in de opkomende nanotechnologie vormt het theorema vooralsnog een handig hulpmiddel om realistische uitdagingen van fantasierijke dromen te onderscheiden.
Het gaat Kelly, hoogleraar aan de University of Cambridge niet om het bouwen van nanodeeltjes vanuit chemische mengsels (bottom up). Hij ziet problemen juist bij het top-down vervaardigen van kleine structuren, bijvoorbeeld met afzetting van materiaal op een oppervlak en lithografie met elektronenstralen en ultraviolette straling met een extreem korte golflengte. Door de statistisch onvermijdelijke variaties in afmetingen komt de reproduceerbaarheid in het gedrang. Kelly illustreert het probleem met een oppervlak waarop verticale kolommen met een doorsnede van drie nanometer staan gerangschikt in een rooster waarvan de blokjes zijden van zes nanometer hebben. Zoiets is bijvoorbeeld denkbaar als structuur in een toekomstig beeldtechniek.
Het is technisch geen probleem om in een materiaal openingen met een diameter van drie nanometer te maken, zo stelt hij, en structuren op vijf nanometer afstand van elkaar is ook geen probleem. Maar, zo zegt hij, dergelijke structuren kan men onmogelijk maken op routinematig, zeker niet als combinatie van de twee.
Quantumgaten
Het probleem is dat bij grootschalige productie er gewisse eisen aan de individuele structuren moeten worden gesteld. Bij dergelijke kleine afmetingen, en dan gaat het om enkele tientallen atomen op een rijtje, spelen statistische schommelingen een grote rol. Dergelijke afwijkingen in afmetingen hebben grote gevolgen voor het optische of elektrische gedrag. De doorsnede van een nanopilaar kan twaalf procent variëren, evenals de diameter van gaten in de laag waaronder een lithografiepatroon wordt geëtst. In een analyse van structuren kleiner dan vijf nanometer die de afgelopen twintig jaar zijn gemaakt, ziet Kelly bij quantumgaten steevast een standaardafwijking van het volume van minstens vijftien procent.
Met dergelijke afwijkingen valt er geen betrouwbaar product te maken, in ieder geval niet als er sprake is van massaproductie. Reproduceerbaarheid is immers een wezenlijk kenmerk van massaproductie. Het omschakelpunt vermoedt Kelly ergens tussen drie en zeven nanometer, daarboven heeft de statistische spreiding minder desastreuze gevolgen voor de gewenste optische en elektronische eigenschappen.
In 1959 stelde Richard Feynman, zo schrijft Kelly, ‘there is plenty of room at the bottom’. Maar die ruimte is er volgens hem enkel voor ambachtelijke staaltjes van nanotechnologie, niet voor massaproductie.
