Promoveren op een detector voor stikstofoxiden

Begin februari verdedigde Anne-Marije Andringa haar proefschrift aan de RUG. Zij ontwikkelde een draagbaar meetapparaat voor stikstofoxiden, dat wellicht ooit door astmapatiënten en autofabrikanten zal worden gebruikt.

Andringa studeerde scheikunde aan de RUG. ‘Ik was vooral geïnteresseerd in polymeerchemie. Ik hoorde tijdens mijn masterstudie veel over plastic elektronica, gemaakt van organische moleculen, en dat fascineerde mij. Je kunt met speciale plastics allerlei coole toepassingen maken, zoals flexibele zonnecellen of organische LED-lampjes, OLED’s.’

Tijdens haar studie specialiseerde Andringa zich in fysische chemie en polymeerchemie. Nieuwe materialen ontwikkelen voor bijvoorbeeld nanotechnologie leek haar erg leuk. ‘En de wetenschap die er achter zit is ontzettend interessant.’

Ze liep stage bij Philips Research in Eindhoven, om eens te zien hoe het er daar aan toe ging. Haar stagebegeleider, Dago de Leeuw, vroeg haar vervolgens of ze een promotieproject wilde doen in Eidnhoven. De Leeuw combineert een aanstelling als hoogleraar Natuurkunde aan de RUG met een baan als Research Fellow bij Philips Research.

Het project was gericht op het ontwikkelen van een nieuwe detector voor gasvormige stikstofoxiden. ‘De huidige systemen zijn groot, ingewikkeld en duur.’ Daarom moet je voor een meting van de stikstofoxiden in je uitlaatgassen naar een garage, want daar hebben ze zo’n groot en duur apparaat. Andringa ontwikkelde een stikstofoxide sensor met behulp van een zogeheten veldeffect-transistor. Zo’n transistor bestaat uit een halfgeleider tussen twee elektroden waar een stroom doorheen kan lopen, een diëlektricum en een gate. Door de spanning op de gate te wijzigen is de geleiding van de halfgeleider in te stellen.

Stikstofdioxide kan in het halfgeleidermateriaal doordringen en zet daar vrije elektronen vast, die nodig zijn om stroom door het materiaal te laten lopen. Daardoor neemt de geleiding af. ‘Via de gate kan je nauwkeurig bepalen hoeveel vrije elektronen er in de halfgeleider aanwezig zijn’, legt Andringa uit. Door manipulatie van het aantal vrije elektronen in de halfgeleider via de gate is het mogelijk de gevoeligheid voor stikstofdioxide maximaal te maken. Andringa ontwikkelde een model dat nauwkeurig beschrijft wat de relatie is tussen de concentratie stikstofdioxide, de spanning op de gate en de stroom die door de halfgeleider loopt.

‘De huidige generatie stikstofoxide sensoren werkt met een weerstand, die hoger wordt naar mate er meer stikstofoxide aanwezig is. Maar dan gaat het om een weerstandstoename van een paar procenten’, vertelt Andringa. In de veldeffect-transistor zorgt stikstofdioxide er voor dat de stroom van ‘aan’ naar ‘uit’ gaat, wat een veel sterker signaal oplevert.

Als onderdeel van haar promotieonderzoek bouwde Andringa een prototype van de stikstofoxiden detector. Hoewel andere wetenschappers ook wel veldeffect-transistoren hebben gebruikt om stikstofoxiden te meten, is Andringa de eerst die een compleet werkend en gekalibreerd systeem bouwde. ‘Ik heb een compleet meet-protocol ontwikkeld dat gebaseerd is op een wetenschappelijk model van de relatie tussen de concentratie stikstofoxiden en de meetwaarden die zij opleveren. Dat model heb ik geverifieerd met experimenten en ik laat zien dat mijn systeem in real time stikstofoxiden concentratie kan meten.’

Een draagbaar systeem om stikstofoxiden te meten zou diverse – en zeer verschillende – toepassingen kunnen hebben. ‘Autofabrikanten zouden het kunnen inbouwen in hun modellen, om de uitlaatgassen tijdens het rijden te controleren. Maar het is ook bekend dat de concentratie stikstof monoxide in de uitademingslucht van een astmapatiënt al enkele dagen voor een zware aanval gaat stijgen.’ Dit is momenteel alleen in het ziekenhuis te meten, een draagbaar apparaat zou de patiënt in staat stellen thuis te controleren of er een nieuwe aanval aankomt. ‘En het mooie van de veldeffect-transistor is dat deze volkomen compatibel is met standaard elektronica, zoals die in je mobieltje!’