Drie laagjes die de wereld veranderden

Terug naar Verhalen over de collectie

We zouden haast vergeten dat onze digitale wereld van internet en algoritmes uiteindelijk berust op de interactie tussen materialen. Nederland speelt in de productie van materialen die de virtuele wereld voortbrengen een onmiskenbaar belangrijke rol met bedrijven als ASML, ASMI en NXP. In de vaste opstelling van Rijksmuseum Boerhaave representeert de uiterst geavanceerde extreem ultra-violet spiegel van ASML deze Nederlandse topindustrie. De bezoeker die oog in oog staat met de spiegel realiseert zich niet dat een heel andere Nederlandse vinding elders in het museum er op een interessante wijze verband mee houdt: de Leidse Fles.

Zo’n 274 jaar geleden wilde de Leidse professor Wiskunde en Wijsbegeerte Pieter van Musschenbroek (1692-1761) weten of hij elektriciteit in water kon opslaan. Hij bedacht een experiment met een met water gevulde fles die aan de binnen- en buitenkant bedekt was met tinfolie. Een metalen stang liep door een kurk in de hals van de fles en verbond het water met een elektriseermachine. Nadat hij met de elektriseermachine de fles onder stroom had gezet, pakte Van Musschenbroek deze met twee handen vast en kreeg plotsklaps een enorme elektrische schok. Klaarblijkelijk sloeg de fles zelf elektriciteit op, die door de aanraking van de Leidse geleerde ontladen werd. Met dit voorval was de ‘Leidse fles’ geboren.

Pieter van Musschenbroek (1692–1761)

Pieter van Musschenbroek (1692–1761)

Drie laagjes materiaal bepaalden de werking van de Leidse fles. Het tin aan de buitenzijde en binnenzijde en het tussenliggende glas van de fles. Deze constructie, twee geleidende materialen gescheiden door een dunne laag isolerend materiaal (glas), staat bekend als een condensator.

Zoals Van Musschenbroek tot zijn eigen schrik bemerkte, slaat een condensator elektriciteit op en kan dit ook zeer snel ontladen. Het isolerende glas van de Leidse fles voorkwam dat elektronen van de negatieve naar de positieve tinnen pool stroomden. In plaats daarvan hoopten ze zich op aan de kant van het glas dat raakt aan de positieve pool. Het vastpakken van de tinnen buitenkant en de metalen stang bood de elektronen een omweg om de isolerende glaslaag te omzeilen. Met een klap ontlaadde de elektrische lading bewaard in het glas zich. De elektronen schoten terug en verspreidden zich gelijkmatig over het glas.

In de achttiende eeuw vormde de Leidse fles een belangrijke methode om met elektriciteit te experimenteren. Zo vervulde ze een belangrijke rol bij de roemruchte experimenten van de Amerikaanse founding father Benjamin Franklin (1706-1790), toen deze trachtte de energie van bliksem op te slaan.

leidse fles

Het principe achter de Leidse Fles – het laden en ontladen van het glas – kent talloze moderne toepassingen. Condensatoren vinden we in tal van elektronica, van geluidsinstallaties, radar en flitsers tot moderne lithium-batterijen gebruikt in smartphones en Tesla-auto’s. Eén specifieke toepassing heeft echter onze leefwereld van de afgelopen vijftig jaar meer dan wat dan ook veranderd.

De oorsprong van deze toepassing ligt in de jaren zeventig van de twintigste eeuw. In deze periode krijgt de condensator een belangrijke rol in de opkomende chiptechnologie. De constructie van drie lagen zoals die in de Leidse Fles blijkt van kritisch belang voor het opslaan en verwerken van informatie.

In een chip is het tin van de Leidse fles ingewisseld voor silicium. Het glas is glas gebleven, dat wil zeggen: zeer zuiver silicium oxide. Door het gecontroleerd laden en ontladen van glas is het mogelijk om met een chip binair te rekenen, met nullen en enen. De drie laagjes vormen elektrische schakels (transistoren) en geheugenbits (condensatoren).

transitor

De Digitale Revolutie van de afgelopen jaren is mogelijk gemaakt door in chips de interactie tussen de drie laagjes te perfectioneren. Hoe dunner en hoe kleiner de oppervlakte van de drie laagjes, hoe meer informatie opgeslagen en verwerkt kan worden (de Wet van Moore!). Hierbij spelen twee Nederlandse bedrijven een belangrijke rol. De een bepaalt de dikte van het glas. De ander het oppervlakte.

Het eerste bedrijf is ASM International. Sinds de jaren zeventig maakt dit bedrijf machines die met gasstromen laagjes van enkele micro- tot enkele nanometers ultra-zuiver glas en silicium laten groeien. Laagjes zo dun, dat deze allang niet meer met het blote oog waarneembaar zijn. Bij de modernste chips zijn de drie laagjes materiaal zo dun dat glas niet langer functioneert als isolator – het slaat geen elektrische lading meer op. Als vervanging voor de glaslaag ontwikkelde ASM een methode om een extreem dunne isolator van hafnium-oxide van slechts 1 nanometer dik, atoomlaag per atoomlaag, op te bouwen.

asm

Het tweede bedrijf is ASML. Sinds 1984 groeide deze Nederlandse onderneming uit tot een wereldspeler in patroonvorming. Hoe kleiner het oppervlakte die de patronen innemen hoe meer informatie verwerkt kan worden. Het bepalen van het oppervlakte gebeurt door middel van een patroon, licht en een lichtgevoelige lak, een proces dat lithografie genoemd wordt. ASML’s techneuten verfijnden hun lithografiemachines tot ongekende proporties. Momenteel bepalen ASML-machines zo groot als containers ongekend kleine oppervlaktes met een breedte van 7 nanometers. Deze machines wekken ‘extreem ultra-violet’ (EUV) licht op, en sturen dit via de meest precieze en gladde spiegels en de meest verfijnde lenzen ooit door mensen gefabriceerd, naar een schijf van silicium.

Voor wie er oog voor heeft biedt de omvangrijke collectie van Rijksmuseum Boerhaave intrigerende dwarsverbanden. In dit stuk heb ik laten zien dat de Leidse fles op een verrassende wijze verband houdt met onze digitale samenleving en met ASML’s collector, die weer illustreert dat na 275 jaar onderzoek en innovatie Nederlandse wetenschappers en techneuten nog steeds vat trachten te krijgen op de mogelijkheden van materialen.

Als wetenschappelijk medewerker van Rijksmuseum Boerhaave en promovendus aan Maastricht Universiteit rondt Jorijn van Duijn momenteel een proefschrift af over ASM International. Hij promoveert vrijdag 22 november om 12.00 uur in Maastricht. In zijn proefschrift komen onderwerpen als de opkomst van silicium, de oprichting van ASML en het illustere ondernemerschap van Arthur del Prado aan bod.

Zoek op