Een vlucht spreeuwen op nanoschaal

Plakken

Klajn gebruikt het gedrag van de spreeuwen om te illustreren wat hij ‘dynamische zelf-assemblage’ of ‘dynamische zelf-organisatie’ noemt. Een signaal uit de omgeving zorgt ervoor dat de individuen samenkomen. Dat levert een nieuwe structuur op en daardoor ontstaan eigenschappen die de individuen zelf niet bezitten. “De functie volgt uit de structuur, net zoals we zien bij eiwitten en andere biomoleculen”, aldus Klajn. Zodra het externe signaal verdwijnt, valt het geheel weer uiteen. De individuen opereren weer afzonderlijk, totdat een verandering in de omgeving hen aanspoort elkaar weer op te zoeken.

Als we kijken naar nanodeeltjes resulteert het aan elkaar plakken (in vaktermen: aggregeren) in iets grotere nanodeeltjes met nieuwe eigenschappen. De kern van Klajns aanpak is dat zowel het aggregeren als het uiteenvallen heel gecontroleerd verloopt, waardoor je het gedrag van de nanodeeltjes kunt sturen. Bovendien heeft hij deeltjes gemaakt die verschillend gedrag vertonen, afhankelijk van de stimulans. Het achterliggende idee is dat je daarmee materialen kunt maken die meerdere functies uitvoeren, zonder dat je aan de samenstelling ervan iets hoeft te veranderen. Dit worden ook wel ‘slimme’, ‘adaptieve’ of ‘responsieve’ materialen genoemd.

Lichtgevoelige staarten

Een van de manieren die Klajn gebruikt om zijn nanodeeltjes te sturen is door licht van verschillende golflengtes erop te schijnen. Dan moet het nanodeeltje in kwestie natuurlijk wel gevoelig zijn voor licht. De gouden nanodeeltjes die Klajn voornamelijk gebruikt zijn dat niet van zichzelf. Daarom bedekt hij het oppervlak van zo’n nanodeeltje met lichtgevoelige staarten. Onder invloed van UV-licht verandert de vorm van de staarten, waardoor de ladingsverdeling in de staart verandert. De staarten krijgen ieder een relatief positief geladen punt en een relatief negatief geladen punt. Daardoor ontstaan er aantrekkende krachten tussen al die staarten. Met als gevolg dat de staarten van verschillende deeltjes aan elkaar plakken en er aggregaten, samengeklonterde deeltjes, ontstaan. En als die aggregaten iets kunnen wat de losse deeltjes niet kunnen, heb je een systeem dat op commando een bepaalde eigenschap of functie vertoont.

Maar wat kunnen nano-aggregaten zoal meer dan losse deeltjes? Klajn verkent of ze te gebruiken zijn als een tijdelijke omgeving voor chemische reacties. “We hebben deeltjes gemaakt die onder invloed van licht assembleren tot aggregaten met een kristalstructuur. In zo’n kristal zit ruimte en dat kun je gebruiken om andere moleculen in de oplossing met elkaar te laten reageren.” Dit levert een soort reactiekolf op nanoschaal, die een beschermde omgeving biedt waar reacties plaatsvinden die in de oplossing zelf niet mogelijk zijn.

Stel je het als volgt voor. Je hebt een oplossing met daarin nanodeeltjes vol staarten die zorgen voor lichtgevoeligheid. Ook aanwezig zijn stoffen A en B die samen stof C kunnen vormen, maar niet in deze oplossing. Klajn legt uit hoe je toch C kunt vormen. “Onder invloed van licht zullen de nanodeeltjes aggregeren en ontstaan er min of meer afgeschermde ruimtes in die grote deeltjes waar A en B wel kunnen reageren. Zodra C is gevormd zet je het licht uit, de kristallen vallen uit elkaar en je hebt een oplossing van je nanodeeltjes en stof C.”