doctoraat student Marloes Bistervels van de onderzoeksgroep Self-Organizing Matter van AMOLF is erin geslaagd om met licht heel nauwkeurig de vorming van nanocomposieten in de vorm van koralen en vazen ​​te sturen. Door een oplossing van de juiste ingrediënten te belichten met UV-licht, kan ze bepalen waar, wanneer en welke structuren op micrometerschaal ontstaan. Vandaag publiceerde ze haar bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials .

Sinds enkele jaren produceert de groep prachtige kristalstructuren op nanoschaal, variërend van koralen en vazen ​​tot helices. Deze structuren ontstaan ​​spontaan uit verschillende chemicaliën in een proces dat zelfassemblage wordt genoemd. Hun vorm hangt af van de hoeveelheid en het type stoffen die met elkaar zijn gemengd. Het onderzoek is gericht op het begrijpen en beheersen van het proces.

Wat dat betreft is er enig succes geboekt. De onderzoekers kunnen bijvoorbeeld kiezen of ze een koraal of vaas willen produceren, maar niet waar of wanneer de groei begint. "Het proces bevat nog steeds een vorm van chaos. Het blijft een spontaan proces waar we graag meer grip op zouden krijgen", zegt groepsleider Wim Noorduin. Bistervels heeft nu laten zien dat licht hiervoor zeer geschikt is. Met een smalle straal UV-licht kan ze heel precies en selectief een chemische reactie op micrometerschaal beïnvloeden.

Schakelaar voor chemische reactie

De fluorescerende structuren die de onderzoekers produceren ontstaan ​​door een simpele chemische reactie. Het zijn composieten van twee stoffen:bariumcarbonaat en silicium. Zodra zich in de oplossing bariumcarbonaatkristallen vormen, voegt het silicium zich samen en slaat samen met de kristallen neer, waardoor de ongebruikelijke vormen ontstaan. Een klein beetje CO₂ gas in de oplossing start dit proces. Als men ervoor zou kunnen zorgen dat CO₂ precies op de gewenste plaats en tijd ontstaat, zou dit resulteren in een aan-uitschakelaar voor de chemische reactie.

Die schakelaar hebben we nu. Door de oplossing te verlichten met een UV-lamp (vergelijkbaar met die in een zonnebank), ontleedt een van de chemicaliën in de oplossing en vormt CO₂ op de exacte plek waar het licht schijnt.

Unieke microscoop

Bistervels zag al snel dat haar idee werkte, maar dat de standaardmicroscoop die ze wilde gebruiken om de fluorescerende structuren zichtbaar te maken niet goed werkte in combinatie met de UV-lamp. Daarom bouwde ze samen met technici Marko Kamp en Hinco Schoenmaker een speciale microscoop. Met deze microscoop is het mogelijk om het UV-licht zeer nauwkeurig aan te sturen, zelfs op afstand van huis. Men kan de gevormde kristallen direct door de microscoop zien en, indien nodig, het zelfassemblageproces aanpassen. Fred Brouwer, hoogleraar Fotochemie aan de Universiteit van Amsterdam, hielp de onderzoekers met zijn kennis van licht en chemische reacties. “Dankzij deze unieke samenwerkingen hebben we de krachten van schei- en natuurkundigen kunnen bundelen. Ik heb hier veel van geleerd”, zegt Bistervels.

Bistervels toonde aan dat je met deze aanpak een aanzienlijke hoeveelheid controle kunt uitoefenen over de structuren die zich vormen. Ze construeerde een helix en een koraal dicht bij elkaar, simpelweg door de lichtstraal iets te verplaatsen en een kleine aanpassing aan de chemische reactie aan te brengen. Verder toonde ze aan dat er een zeer groot aantal kristallen naast elkaar in een patroon kunnen worden geproduceerd. "Deze experimenten zijn niet triviaal", zegt ze. "Je hebt andere omstandigheden nodig en een veelzijdige controle over tijd en locatie."

Het meest merkwaardige experiment was het trekken van een lijn, stellen de onderzoekers. Hoewel dat misschien niets spectaculairs lijkt, zegt Bistervels:"Dit laat zien hoeveel controle we hebben. Het temmen van de richting waarin de kristallen groeien is een geweldige prestatie. Je bestuurt een proces op nanoschaal en ziet het resultaat met het blote oog. "

Biomineralisatie beheersen

De structuren zijn meer dan alleen een lust voor het oog. Door te leren hoe ze licht kunnen gebruiken om de ontwikkeling van de constructies te sturen, hebben de onderzoekers belangrijke kennis opgedaan over zelfassemblage. "We kunnen de methoden om lokale chemische reacties te manipuleren toepassen op vergelijkbare zelfassemblerende systemen. Daarnaast zien we mogelijkheden om met deze nieuwe methoden meer inzicht te krijgen in biomineralisatie in de natuur, zoals botvorming", zegt Noorduin.

In een ander project is de Self-Organizing Matter-groep erin geslaagd de kristallen om te zetten in halfgeleiders. Dit zijn essentiële materialen voor zonnecellen, leds en computerchips. Noorduin legt uit:"Als we halfgeleiders in elke gewenste vorm kunnen produceren zonder dat we een dure en complexe cleanroom nodig hebben, dan biedt dat interessante mogelijkheden. Een voorbeeld is het vervaardigen van elektronische componenten door middel van zelfassemblage. We onderzoeken daarom momenteel hoe we driedimensionale structuren kunnen beheersen, zodat we vervolgens patronen kunnen maken." + Verder verkennen

Van zee-egelskelet tot zonnecel