De prijzen voor schei-, natuur- en geneeskunde hebben dit jaar te maken met communicatie en elektriciteit.

De elektrisch geleidende polymeren (chemie) zijn de directe opvolgers van het silicium waarmee veertig jaar geleden de eerste computerchip werd gemaakt (natuurkunde). En uit het synapsonderzoek (geneeskunde) blijkt dat elektriciteit én moleculen de basis van de zenuwcommunicatie vormen.

Onmogelijke stroom

Rob van den Berg
Wie vijfentwintig jaar geleden zou hebben voorspeld dat er een kunststof op komst was die elektrische stroom even goed geleidt als koper, zou voor gek zijn verklaard: plastics worden immers veelvuldig gebruikt als isolatiemateriaal. Toch kregen de Amerikaanse scheikundigen Alan MacDiarmid en Alan Heeger en hun Japanse collega Hideki Shirakawa afgelopen dinsdag de Nobelprijs voor 'de ontdekking en ontwikkeling van geleidende polymeren'. Met de toekenning erkent het Nobelcomité de pioniersrol die deze drie onderzoekers hebben gespeeld. Hun werk opende aan het eind van de jaren zeventig een nieuw onderzoeksgebied dat vooral de laatste paar jaar vruchten begint af te werpen.

Geleidende polymeren kunnen snel en goedkoop worden geproduceerd en vinden op grote schaal toepassing, bijvoorbeeld als anti-statisch verpakkingsmateriaal. Sommige geleidende plastics geven licht, waardoor ze uitermate geschikt zijn in displays en LEDs (licht emitterende diodes). Ook ligt het in de verwachting dat binnen afzienbare tijd elektronische componenten op de markt verschijnen die volledig zijn opgebouwd uit plastics, onder andere als 'wegwerpelektronica'.

En dat allemaal door een ongelukje. Een student van Shirakawa probeerde in het begin van de jaren zeventig om het polymeer polyacetyleen te maken uit acetyleen, een gas dat gebruikt wordt bij het lassen. Bij deze reactie worden duizenden acetyleenmoleculen als kralen aan een ketting aaneengeregen. Om ze daarbij een handje te helpen wordt een katalysator toegevoegd. Per ongeluk gebruikte de student daarvan duizend keer meer dan nodig was. Resultaat was een dun, zilverachtig filmpje aan de binnenkant van het reactievat. Shirakawa had de tegenwoordigheid van geest om uit te zoeken wat er gebeurd was: de afzonderlijke moleculen bleken op een volmaakt regelmatige manier in de keten te zijn ingebouwd, iets wat tot dan toe nog niemand gelukt was. Toen hij in een koffiepauze tijdens een conferentie MacDiarmid over zijn ontdekking vertelde, nodigde deze hem direct uit naar zijn laboratorium te komen. Zelf was de Amerikaan ook al een tijdje op zoek naar 'synthetische metalen', en het zilverachtige polyacetyleen leek een veelbelovende kandidaat. Samen probeerden ze de stof chemisch te veranderen, door onder andere jodium toe te voegen. Alan Heeger werd erbij gehaald om de eigenschappen van het product te bepalen. Hij was het die ontdekte dat door deze behandeling het geleidingsvermogen bijna miljardvoudig was toegenomen.

Sindsdien zijn vele andere geleidende polymeren ontdekt. Twee eigenschappen hebben ze gemeen: de koolstofketen (de ruggengraat van het polymeer) bestaat uit een opeenvolging van enkele en dubbele koolstofbindingen, en er zijn elektronen aan het polymeer toegevoegd (of juist onttrokken), bijvoorbeeld met behulp van jodium. Ook (zon- )licht kan hier overigens voor worden gebruikt, zodat geleidende polymeren sterk in de belangstelling staan bij ontwerpers van zonnecellen.

Het precieze mechanisme van de geleiding bij polymeren houdt theoretici nog altijd bezig. Sterk vereenvoudigd komt het erop neer dat de plek die beschikbaar is gekomen door het verdwijnen van een elektron in de keten (een gat) kan worden opgevuld door een naburig elektron. Die verschaft op zijn beurt weer ruimte aan zijn buren, etc. De geleidbaarheid van het kunststof materiaal wordt echter beperkt doordat de elektronen ook af en toe van de ene naar de andere keten moeten overspringen, hetgeen veel lastiger is. Het is daarom gunstig om de ketens zo netjes mogelijk te ordenen. Inmiddels zijn allerlei slimme trucs verzonnen om de synthese van materialen te verbeteren. Niet alleen komen ze in veel zuiverder vorm beschikbaar, ook de verdere verwerking is vereenvoudigd. Hoewel maar weinig nieuw-ontwikkelde geleidende polymeren het geleidingsvermogen van polyacetyleen overtreffen, bleek deze stof dermate gevoelig voor zuurstof en vocht in de lucht dat hij in de praktijk nauwelijks commercieel toepasbaar is. Polythiofeen en polyaniline zijn dat wel.

plastic transistors

Naarmate geleidende polymeren in steeds zuiverder vorm beschikbaar kwamen, konden ook hun eigenschappen als halfgeleiders worden benut. In de jaren negentig verschenen de eerste berichten over plastic transistors en zelfs flexibele LEDs op basis van bijvoorbeeld poly(phenyleen-vinyleen) ( PPV). Richard Friend van de universiteit van Cambridge ontdekte dat dit polymeer geelgroen licht uitzendt zodra er een elektrische spanning overheen wordt gezet. Deze elektroluminescentie maakt in de toekomst wellicht platte en oprolbare displays mogelijk. Het was opnieuw Heeger die nauw bij deze ontwikkelingen betrokken was. Het bedrijf dat hij in 1990 oprichtte om de in zijn laboratorium gedane ontdekkingen te commercialiseren, UNIAX, werd begin dit jaar opgekocht door chemiereus DuPont.

Ook Philips heeft zich inmiddels een belangrijke positie binnen het onderzoek naar geleidende polymeren weten te verwerven. Zo kwam het als eerste met een volledig plastic chip, en werd onlangs een grote stap gezet in de richting van een volledig plastic display.

Zenuwcontact

Zenuwcellen communiceren niet elektrisch maar met moleculen. En dat allemaal via synaptische spleten. Drie onderzoekers kregen er de Nobelprijs voor.

Wim Köhler
IEDER MENS loopt rond met honderdduizend miljard synapsen. Het kunnen er ook tienmaal zoveel zijn, niemand heeft ze geteld. De gemiddelde zenuwcel - en daar hebben we er al 100 miljard van - onderhoudt via een uitloper (axon) met vaak duizenden vertakkingen contact met andere zenuwcellen. Zo'n contactpunt is een synaps. De zenuwcellen raken elkaar, maar vloeien niet in elkaar over. Ze zijn gescheiden door de synaptische spleet, waarin boodschappermoleculen van de signaalgevende kant naar de signaalontvangende kant worden gestuurd. Zo, via neurale netwerken van elkaar via synaptische verbindingen beïnvloedende zenuwcellen, verwerken we onze waarnemingen, komen we op gedachten, ondergaan we emoties en vormen we herinneringen en een geheugen.

Voor onderzoek naar signaaloverdracht in de synaptische spleet krijgen de Zweedse hersenonderzoeker Arvid Carlsson en zijn twee Amerikaanse collega's Paul Greengard en Eric Kandel dit jaar de Nobelprijs voor de fysiologie en de geneeskunde. De term synaps, voor de massaal voorkomende contactpunten tussen zenuwcellen, is geïntroduceerd door Sir Charles Scott Sherrington, die in 1932 een Nobelprijs kreeg voor zijn onderzoek naar spierreflexen onder invloed van het zenuwstelsel.

elektrische prikkel

Pas in het begin van de jaren vijftig erkenden alle hersenonderzoekers het bestaan van chemische synapsen. Daarvoor was de heersende gedachte dat de overdracht van de ene zenuwcel naar een andere met een elektrische prikkel gebeurt, net zoals een signaal binnen één zenuwcel van het centrum naar het uiteinde van het axon wordt gevoerd. Het zenuwstelsel was een elektrisch circuit en wetenschapspopularisatoren vergeleken het vaak met de toen nog nieuwe telefoonnetten waarin boodschappen door de draden zoeven.

Bij de uitreiking van de Nobelprijs aan Sir John Eccles in 1963 (voor de stimulerende en remmende signaaloverdracht van de ene zenuwcel naar de andere) beschreef de feestredenaar Eccles' werk aan de synaptische spleet nog bijna helemaal in termen van elektrische impulsoverdracht. Zijn medeprijswinnaars Hodgkin en Huxley kregen hun deel voor de elektrische geleiding bínnen zenuwcellen. Als een zenuwcel 'vuurt' kan het signaal zich met een snelheid van 50 meter per seconde voortplanten. Een signaal dat door een lang axon van hersenen tot onderin het ruggenmerg loopt is dus 20 milliseconde onderweg.

valse start

Toch, op de Olympische Spelen van Sydney (en bij andere grote atletiekwedstrijden) krijgt een hardloper die na het startschot binnen 100 milliseconde zijn startblok gaat verlaten (de druk op de afzetpunten wordt gemeten) automatisch een valse start toegewezen. De hele signaalverwerking duurt wat langer. Opvangen van het geluidssignaal, ontvangst in de gehoorsschors, centrale verwerking, overbrengen van het signaal naar motorneuronen en vooral het tijdrovende samentrekken van de betrokken spieren duurt alles bij elkaar toch gegarandeerd langer dan 100 milliseconde. "En dankzij het feit dat we synapsen hebben, maakt een hardloper zich niet na ieder hard geluid uit de voeten", zei neurobioloog dr. J.G.G. Borst twee weken geleden op een bijeenkomst van NWO en de Vereniging van Wetenschapsjournalisten in Nederland. Die clubs vieren dit jaar hun tiende respectievelijk derde lustrum. "Als het vaste kabels, dus zonder de onderbrekende synapsen waren, dan zou iemand die getraind is op een startschot en dus de noodzakelijke bekabeling heeft aangelegd, niets anders kunnen dan weghollen na een harde knal. Synapsen maken beïnvloeding van de procedure mogelijk."

Borst: "Op één zenuwcel kunnen de signalen van duizenden andere zenuwcellen via synapsen binnenkomen. Die signalen kunnen stimulerend of remmend werken. En ze kunnen traag of snel doorkomen. Signalen kunnen krachtig zijn - bijvoorbeeld als een heleboel neuronen tegelijk een signaal afgeven aan één andere cel - of minder hevig. Op grond van alle signalen die binnenkomen reageert de zenuwcel dan uiteindelijk door wel of niet zelf te 'vuren'." Drie ontdekkers van de basischemie in de synaptische spleet (want het bleken uiteindelijk toch moleculen, geen elektrische pulsen die in de synapsen voor de signaaloverdracht zorgen) deelden in 1970 de geneeskunde- Nobelprijs. Ulf von Euler ontdekte dat de neurotransmitter noradrenaline aan de zenuwuiteinden vlakbij de synaptische spleet in kleine met membranen omgeven celcompartimentjes klaarligt. Als een elektrische prikkel arriveert versmelten die blaasjes met noradrenaline met de celmembraan en wordt het noradrenaline in de synaptische spleet geloosd. De noradrenalinemoleculen diffunderen naar de overkant, waar ze kunnen binden op precies passende noradrenalinereceptoren. Julius Axelrod vond hoe noradrenaline wordt gevormd en na gebruik weer wordt afgebroken. En de derde laureaat van 1970, Sir Bernard Katz, ontrafelde hoe acetylcholine uit motorische neuronen vrijkomt en de spiercellen aanzet tot samentrekken. In 1970 werd al verwezen naar de mogelijkheid om geneesmiddelen te ontwikkelen.

Dat was geen voorzienende blik, want Arvid Carlsson (1923) die afgelopen maandag hoorde dat hij dit jaar de Nobelprijs krijgt had toen al aangetoond dat Parkinsonpatiënten met L-dopa enige tijd van hun bewegingsstoornissen af te helpen zijn. L-dopa is een molecuul waar het lichaam de neurotransmitter dopamine uit kan maken. Bij Parkinsonpatiënten zijn de dopamine-synthetiserende cellen verloren gegaan, waardoor ze een tekort aan die neurotransmitter hebben. Carlsson werkte later aan schizofrenie, waarbij aanvankelijk vooral aan een verstoring van de dopaminehuishouding werd gedacht. Carlsson zoekt het de laatste jaren meer in een complexe ontaarding van een neuraal netwerk waarbij behalve dopamine ook nog andere neurotransmitters betrokken zijn. De serotonineheropnameremmer Prozac is op het ogenblik ongetwijfeld het bekendste medicijn dat de werking van neurotransmitters (in dit geval serotonine) in synapsen beïnvloedt.

glutamaat

Samen met Carlsson krijgen Paul Greengard en Eric Kandel dit jaar de Nobelprijs voor de geneeskunde. Greengard beschreef als eerste het moleculaire mechanisme dat plaatsvindt in de signaalontvangende zenuwcel als daar dopamine in een synaps aan de dopaminereceptoren bindt. Dopamine is een langzaam werkende transmitter. Een snelle neurotransmitter zet direct ionkanaaltjes open in het zenuwcelmembraan, waardoor onmiddellijk weer een elektrisch signaal in de ontvangende cel ontstaat. Borst: "Remming en stimulering bij die snelle signalen gebeurt doordat het stimulerende signaal binnen milliseconden positief geladen natriumionen laat binnenstromen. Glutamaat doet dat bijvoorbeeld. Remming krijg je bijvoorbeeld als een andere neurotransmitter, zoals GABA (gamma-aminoboterzuur), negatief geladen chloorionen laat binnenstromen." Dopamine werkt doordat het binnen de cel een tweede boodschappermolecuul (cyclisch AMP) vrijmaakt dat een eiwit activeert dat weer andere eiwitten, bijvoorbeeld de ionkanalen in membranen, kan fosforyleren. Die kunnen vervolgens beter reageren als ze een signaal krijgen. Zo'n langzaam dopaminesignaal kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat bij een hardloper de juiste banen in het zenuwstelsel vast worden geactiveerd zodat hij snel op een startschot kan reageren. Kandel tenslotte wordt geëerd omdat hij moleculaire mechanismen heeft ontdekt waarmee synapsen aan- en afgeschakeld worden. Hierdoor kan binnen een neuraal netwerk zowel lange- als korte- termijngeheugen ontstaan. Synapsen die vaak voor hetzelfde worden gebruikt worden groter, geven meer signaal door en daardoor ontstaan er 'uitgesleten paden' die het ons makkelijker maken om routinetaken uit te voeren.

Sandwich met chips

Computers hebben de wereld radicaal veranderd. Fundamenteel onderzoek dat de revolutie mede in gang zette is na veertig jaar door Stockholm beloond.

Dirk van Delft
IN DE ZOMER van 1958 werkte Jack Kilby zo'n beetje in zijn eentje in het laboratorium van Texas Instruments in Dallas. Als 34-jarige ingenieur was hij zojuist door het elektronicabedrijf aangenomen en van een voorraad vakantiedagen opbouwen was het nog niet gekomen. Niet gestoord door collega's en chefs kon hij in alle rust nadenken over een probleem dat de elektronicawereld al vanaf begin jaren vijftig kwelde: hoe konden een groot aantal elektronische componenten - transistors, condensatoren, weerstanden, etc. - op één plak halfgeleidermateriaal worden aangebracht: de geïntegreerde schakeling of IC (integrated circuit). Aan compacte en snelle IC's bestond bij de computer-industrie grote behoefte.

Een IC is eerder een technische uitvinding dan een natuurkundige ontdekking. Het idee om alle componenten van een elektrische schakeling op één plak fragiel en kostbaar siliciumkristal te stoppen, stuitte veel ingenieurs tegem de borst: altijd waren elektrische weerstanden en condensatoren uit simpeler materialen gemaakt. Ook was aanvankelijk onduidelijk hoe de componenten van een IC via metaalbanen met elkaar verbonden moesten worden. In 1958 was Kilby de eerste die een IC wist te maken, op silicium en kort daarna op germanium. Tussen de componenten liepen eerst gouddraden, maar in zijn patentaanvraag van 6 februari 1959 sprak Kilby van goudbanen "die op op een isolerende laag gelegd zouden worden".

Rond dezelfde tijd boekte Fairchild Electronics in Californië op IC-gebied ook grote vorderingen. Robert Noyce, die later aan de wieg van chip-fabrikant Intel zou staan en een van de drijvende krachten was achter Silicon Valley, ontdekte dat aluminium goed hechtte aan zowel silicium als siliciumoxide. In zijn aantekenboekje beschreef hij op 23 januari 1959 in detail een manier hoe je met silicium en aluminium een IC kon bouwen. Op 30 juli van dat jaar volgde een patentaanvraag. Deze werd op 25 april 1961 gehonoreerd, waar Kilby tot juni 1964 geduld moest hebben.

trage molens

De keuze tussen goud en aluminium als verbindingsmateriaal was de inzet van een stevig conflict tussen Texas Instruments en Fairchild Electronics/Intel. Noyce aanpak bleek in de praktijk de beste. Dat hij niet tegelijk met Kilby de Nobelprijs krijgt ligt aan de trage molens in Stockholm: in 1990, toen IC's de wereld al lang hadden veroverd, is hij overleden. Veertig jaar na de eerste ruwe IC's heeft de miniaturisatie die Kilby en Noyce ontketenden geresulteerd in chips met miljoenen transistoren. De wet van Moore, die stelt dat het aantal componenten op een chip iedere anderhalf twee jaar verdubbelt, is al dertig jaar van toepassing. Niets wijst er op dat die explosieve groei weldra stopt.

De tweede helft van de Nobelprijs voor de natuurkunde 2000 is voor twee pioniers op het gebied van zogeten heterostructuren, veel toegepast in transistoren. Het zijn elektronische componenten opgebouwd uit twee of meer lagen halfgeleider van verschillende samenstelling en dikte. Zowel galliumarsenide (GaAs) als een legering van aluminium en galliumarsenide (GaAlAs) worden in zulke sandwiches toegepast, in lagen die enkele atomen tot duizendsten van millimeters dik zijn en qua kristalstructuur nauw op elkaar aansluiten. Door legeringen in samenstelling te variëren of galliumatomen door een andere metaalsoort, bijvoorbeeld indium, te vervangen, zijn de eigenschappen van een heterostructuur naar wens in te richten.

Het eerste voorstel voor een hetero-transistor is in 1957 gepubliceerd door de van oorsprong Duitse fysicus Herbert Kroemer, toen werkzaam bij RCA (Radio Corporation of America) in Princeton. Onmiddellijk was duidelijk dat heterostructuren een enorme verbetering betekenden, vooral in toepassingen met hoge frequenties. Ook bleek de ruis in versterkers met elektronica van dit type laag. En dus heeft hetero- elektronica een enorme vlucht genomen. In mobiele telefonie, in communicatiesatellieten, in lasers: overal vindt deze technologie toepassing. Ook lichtgevende diodes in remlichten maken er gebruik van.

Het idee om een hetero-laser te bouwen dateert van 1963. Het kwam op bij zowel de Russische fysicus Zhores Alferov als bij bovengenoemde Herbert Kroemer. Alferov, werkzaam op het Joffe-instituut in St. Petersburg (toen Leningrad geheten), was in 1970 de eerste die een continu werkende hetero-laser aan de praat kreeg. Door de Koude Oorlog stonden de vorderingen in de Amerikaanse laboratoria los van de Russische prestaties. Daar werd de race gewonnen door Bell Labs, een maand later dan de groep van Alferov. Vanaf dat moment nam de Amerikaanse industrie het voortouw. Hetero-lasers bleken van enorme betekenis in de glasvezelcommunicatie. Maar de eerste blauwe laser, die nog altijd miste, kwam in 1996 uit Japan.

Alferov is de eerste Russische Nobelprijswinnaar sinds Gorbatsjov in 1990 de prijs voor de vrede kreeg - de laatste Russische fysicus met een Nobelprijs was Kapitza in 1978. "Een internationale erkenning voor de Sovjet-fysica", reageerde de 70-jarige Alferov terwijl hij zijn glas champagne hief. Collega Kilby, inmiddels 77 en mede-uitvinder van de zakrekenmachine, was daar op de vroege morgen nog niet aan toe. "Ik ben verbijsterd", was zijn slaapdronken reactie.

Zie ook:

Nobelprijs vrede voor president Zuid-Korea (13 oktober 2000)
Gao versmelt oost en west (13 oktober 2000)
Gao krijgt Nobelprijs literatuur (12 oktober 2000)
Nobelprijs economie voor twee Amerikanen (11 oktober 2000)
Nobelprijs voor drie IT-pioniers (10 oktober 2000)
Onderzoek zenuwcellen met Nobelprijs bekroond
(9 oktober 2000)