Nanodeeltjes zijn veelzijdige voorbodes van hoop:ze kunnen dienen als actieve medische middelen of contrastmedia, net zo goed als elektronische opslagmedia of versterking van structurele materialen.

Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Colloïden en Interfaces in Potsdam-Golm en van de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland hebben een fundamentele bijdrage geleverd om dergelijke nanodeeltjes bruikbaar te maken voor deze verschillende toepassingen. Tijdens het bestuderen van magnetiet nanodeeltjes, ze ontwikkelden een model van hoe kristallijne deeltjes van een materiaal zich vormen, afhankelijk van hun fysieke eigenschappen. Magnetiet-nanodeeltjes worden door sommige bacteriën gebruikt om zich langs de magnetische veldlijnen van de aarde te oriënteren. Begrijpen hoe ze groeien, kan nuttig zijn bij het genereren van nanodeeltjes met de gewenste eigenschappen.

In veel opzichten, materiaalontwerp lijkt op het opvoeden van kinderen:veel eigenschappen zijn vooraf bepaald door de natuur, andere worden verworven tijdens het onderwijs of het leren - maar het belangrijke aspect gebeurt meteen aan het begin. Een team onder leiding van Damien Faivre, Leider van een onderzoeksgroep bij het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, heeft gekeken naar de kraamkamer van magnetiet nanodeeltjes.

Magnetietdeeltjes die zich in fijne naalden rangschikken, dienen als kompas voor sommige zeebacteriën wanneer ze zich oriënteren langs het magnetische veld van de aarde op zoek naar de beste leefomstandigheden. Echter, synthetische magnetietdeeltjes worden ook gebruikt in inkten, magnetische vloeistoffen, en medisch contrastmiddel, maar ook als geheugenelementen in gegevensopslagmedia. Met behulp van hun observaties van magnetiet nanodeeltjes, de onderzoekers in Potsdam hebben de gevestigde theorie uitgebreid over hoe kristallen van een materiaal uit oplossing ontstaan.

Het klassieke model kan de vorming van veel kristallen niet verklaren

In een oververzadigde oplossing, verschillende atomen en moleculen agglomereren spontaan, dat wil zeggen min of meer willekeurig, tot een zaadje dat dan verder groeit. Volgens de klassieke weergave van kristalgroei, het zaad vangt atomen of moleculen uit de oplossing. Op dat punt, ofwel een perfect geordend kristal kan direct of een amorf, en dus ongeordend, conglomeraat vormt eerst, die zich vervolgens herschikt in een kristal.

In welke van de twee paden evolueert het kristal, hangt af van welke het lagere energieniveau vertoont - de kristallijne fase of de ongeordende fase. De bepalende eigenschappen zijn hier de oppervlakte-energieën van de kristallijne en ongeordende varianten, evenals de hoeveelheden energie die vrijkomen wanneer atomen of moleculen binden aan de ene of de andere vorm. Een hoge oppervlakte-energie drijft het energieverbruik voor de groei van de gegeven fase veel hoger, terwijl een grote energieopbrengst van de evoluerende obligaties het verlaagt.

"In de loop der jaren zijn er steeds meer aanwijzingen dat tal van mineralen niet volgens dit model groeien", zegt Damien Faivre. "Ze nemen blijkbaar geen enkele atomen of moleculen op tijdens hun vorming, maar vangen in plaats daarvan primaire deeltjes of clusters op tot enkele nanometers groot die zich slechts tijdelijk vormen." Dat is min of meer wat er gebeurt als zich kristallen van calciumcarbonaat en calciumfosfaat vormen die botten of schelpen van weekdieren verharden. Faivre en zijn team hebben nu vastgesteld dat magnetiet nanodeeltjes ook groeien door het absorberen van kleine primaire deeltjes van slechts twee nanometer groot.De onderzoekers observeerden dit met een transmissie-elektronenmicroscoop bij een temperatuur ver onder nul die dus bijzonder kleine structuren toont.

De stabiliteit van de primaire deeltjes wordt de beslissende factor

"Met behulp van het klassieke model, het is onmogelijk om te bepalen of zich direct grotere nanokristallen vormen uit de kleine nanodeeltjes of dat zich eerst een ongeordende fase vormt", zegt Damien Faivre. Echter, als je nanodeeltjes wilt kweken, deze vraag moet je kunnen beantwoorden. Dus ontwikkelden hij en zijn collega's een nieuw model (dat rekening houdt met de primaire deeltjes).

Bij het nieuwe model de stabiliteit van de nanodeeltjes wordt een belangrijke factor - zo belangrijk dat het zelfs de voorspelling van het klassieke model kan omkeren. "Hoe stabieler de primaire deeltjes zijn, hoe groter de kans dat zich direct een kristallijne structuur vormt", legt Faivre uit. "Vaak, wanneer zich een wanordelijke fase zou moeten vormen volgens het klassieke model, ons model resulteert direct in een kristalvorming." Dit is precies het geval met magnetiet.

Het onderzoeken van de primaire deeltjes is de volgende stap

Of kristallen groeien volgens het klassieke model of het model dat is voorgesteld door het team van Damien Faivres, hangt af van of het atomen en moleculen of de minuscule primaire deeltjes betreft. "Je weet dit door observaties, zoals in ons geval, of je anticipeert erop met behulp van de fysieke eigenschappen van het materiaal", legt Faivre uit.

Echter, de onderzoekers hebben nog tal van onopgeloste vragen te beantwoorden om van deze inzichten over de nanodeeltjeskwekerij naar een handleiding voor het sturen van hun groei te gaan. "In de volgende stap we zullen de primaire deeltjes en hun eigenschappen nauwkeuriger onderzoeken", zegt Damien Faivre. Als de onderzoekers de stabiliteit kunnen controleren van de deeltjes die worden geassimileerd door een groeiend nanodeeltje, ze kunnen ook een middel hebben om de eigenschappen van het nanodeeltje te beïnvloeden. Dit is nauwelijks anders dan bij jonge, opgroeiende kinderen:wat ze worden, hangt af van hoe ze worden gevoed.