"De natuur onthult zichzelf voor de wetenschap, " is een sculptuur van Louis-Ernest Barrias te zien in het Musée d'Orsay in Parijs. Een onderzoekssamenwerking van de Universiteit van Wenen en de Sorbonne in Parijs nam dit credo nu ter harte. "Om efficiënte functionele materialen te creëren, de natuur biedt de beste recepten door evolutionair succesvolle concepten aan te bieden, ", zegt Dennis Kurzbach van het Instituut voor Biologische Chemie. Kurzbach en zijn collega's pasten een gezamenlijk ontwikkelde technologie toe, gebaseerd op NMR-spectroscopie, om de geheimen van biomineralisatie te onthullen.

Hiaten van precisie dichten

NMR (nucleaire magnetische resonantie) is een belangrijke methode om de structuren van moleculen in oplossing te bepalen, zij het met een beperkte resolutie. Om realtime monitoring van snelle chemische processen mogelijk te maken, Dennis Kurzbach en zijn team ontwikkelden een nieuw prototype dat, gebaseerd op hyperpolarisatie (meer specifiek Dissolution Dynamic Nuclear Polarisation, D-DNP), biedt de wetenschappers tot 10, 000-voudig versterkte signalen in NMR-experimenten.

Met dit D-DNP-prototype, de wetenschappers kunnen processen volgen die plaatsvinden op de tijdschaal van milliseconden, terwijl tegelijkertijd enkele atomen kunnen worden opgelost. Het prototype omvat een reeds gepatenteerd systeem om verschillende interactiepartners binnen milliseconden te mixen en realtime detectie te starten.

Neerslag van ionische vaste stoffen uit oplossing

Dennis Kurzbach, een expert in methodeontwikkeling, startte de proof-of-concept met zijn Parijse collega Thierry Azaïs, die geïnteresseerd was in een beter begrip van de eerste stappen van biomineralisatie. Met behulp van D-DNP-bewaking, de wetenschappers onderzochten snelle interactiekinetiek zoals die welke ten grondslag liggen aan de vorming van pre-nucleatiesoorten die zich binnen milliseconden ontwikkelen wanneer calcium- en fosfaationen in oplossing samenkomen en die voorafgaan aan niet-klassieke vast-vloeibare fasescheiding. "Voor de eerste keer, we waren in staat om deze pre-nucleatiesoorten met hoge resolutie analytisch te karakteriseren, " legt Kurzbach uit, die in het kader van zijn ERC Starting Grant de allernieuwste technologie heeft neergezet in de NMR Core Facility van de Faculteit Scheikunde.

Met hun nieuwe inzichten en technologie, de onderzoekers dragen ook bij aan een langdurig dispuut over de theorie achter de biomineralisatie van calciumfosfaat. "Sommige onderzoekers betwijfelen of de pre-kiemvormende soorten kunnen worden geïntegreerd in het klassieke theoretische raamwerk dat gedurende tientallen jaren is ontwikkeld, ', zegt Dennis Kurzbach.

Het onderzoek van de onderzoeker is ook een aftrap voor een recent gehonoreerd project gefinancierd door het Oostenrijkse Wetenschapsfonds FWF, waarin Kurzbach van plan is zijn technologie te gebruiken om de karakterisering van biomineralen en van de initiële chemische processen vóór nucleatie te bevorderen. Bijvoorbeeld, hij wil verduidelijken of de grootte van de nieuw ontdekte soort beheersbaar is en zo ja, of het mogelijk is om toekomstige hardheid of broosheid van het macroscopische materiaal te construeren.

"Bovendien, het zal interessant zijn om te zien of we kunnen helpen om de huidige theoretische tekortkomingen op te lossen, "Kurzbach zegt, die niet alleen afstudeerde in scheikunde, maar ook in de filosofie. "Voor mij, onze onderzoeksdoelen worden ook sterk weerspiegeld door de ideeën van Aristoteles:Alle mensen streven van nature naar kennis." De D-DNP-technologie maakt het nu mogelijk om onze kennis van de aard van de materialen te verdiepen, die belangrijke eigenschappen geeft aan mens en samenleving.