Wetenschappers 'bouwen' met microscopische piepschuimbolletjes

Al jaren zijn wetenschappers op zoek naar nieuwe nano- en microdeeltjes die bijvoorbeeld dienst kunnen doen in voedsel of verf. Maar die deeltjes zijn vaak rond, wat een beperking vormt. Wetenschappers van de Universiteit Leiden hebben nu een manier gevonden om piepkleine piepschuimen deeltjes te bundelen en rangschikken in onder andere staafjes, driehoeken en tetraëders.

15 april 2016

Het is misschien nog het best te omschrijven als een soort microlego. Wetenschappers werken al jaren aan deze minuscule bouwsteentjes, vaak niet groter dan een micrometer of zelfs in de orde van tientallen nanometers. Daarbij proberen ze om specifieke vormen te maken die aan elkaar te koppelen zijn. Zo zijn steeds ingewikkeldere structuren mogelijk. Tot nu toe lukte het om bijvoorbeeld linten, ringen, buizen of een soort kippengaas te bouwen. Uiteindelijk heeft dat ‘speelgoed’ ook een doel. De techniek belooft toepassingen te hebben in het verbeteren van chemische processen, in de medische wereld en de voedselindustrie.

Wetenschappers van de Universiteit Leiden hebben een manier gevonden om bijzondere vormen te maken van piepschuimen basisdeeltjes van ongeveer een micrometer groot (ongeveer een vijftigste van de dikte van een haar). Ze laten de deeltjes voor hun microscopische blokkendoos in een oplossing samenklonteren en plakken ze daarna netjes aan elkaar vast. Zo lukte het om onder andere staafjes, driehoekjes en tetraëders te maken. Ze publiceerden over het onderzoek in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano.

Piepschuimen ‘legoblokjes’

Voor het maken van deeltjes met een specifieke en functionele vorm werkt de natuur niet mee. Onder invloed van de zogenoemde oppervlaktespanning hebben kleine deeltjes tijdens hun fabricage de neiging om rond te worden. Het is de reden dat een druppel van nature rond is. “Er zijn wel manier om daar vanaf te komen en bijvoorbeeld kubussen te maken, maar echt ingewikkelde vormen zijn lastig te realiseren op zulke kleine schaal”, zegt Daniela Kraft, universitair docent van de Universiteit Leiden en hoofdauteur van het artikel. “We moesten daarom een nieuwe strategie volgen.”

Deze piepschuimen bolletjes van ongeveer een micrometer groot dienen als basis voor complexere microdeeltjes, die worden gevormd door ze op een bepaalde manier te laten samenklonteren. — Het basismateriaal.
Kraft et al.

Die nieuwe aanpak begint overigens wel met kleine bolletjes, waar wetenschappers inmiddels al veel ervaring mee hebben. Microscopische bolletjes van piepschuim vormden de basis voor nieuwe deeltjes met een bijzondere structuur. “De eerste stap is het in zekere mate laten samenklonteren van die bolletjes”, zegt Kraft. “Iets wat we normaal juist proberen te voorkomen door onder andere afstotende ladingen op die bolletjes. Klonteren is doorgaans een ongecontroleerd proces en experimenten waarin dat gebeurt gaan doorgaans de gootsteen in.”

Maar om te bouwen ontkom je niet aan het samenvoegen van deeltjes. Kraft en collega’s doen dat op een gecontroleerde manier. Door een zout toe te voegen kunnen de deeltjes in de oplossing opeens wél bij elkaar komen en samenklonteren. Dit proces is weer te stoppen door een grote hoeveelheid water toe te voegen. Door op die manier te werk te gaan, hebben de wetenschappers controle over de grootte van de deeltjes in de oplossing – die uiteindelijk opgebouwd zijn uit één tot zeven piepschuimen bolletjes.

Verschillende microscopische deeltjes die door Daniela Kraft en collega’s gemaakt werden. De eerste rij laat is een schematische weergave van de piepschuimen bolletjes (wit) en het styreen (blauw) waarmee ze als het ware aan elkaar geplakt worden. In de rijen daaronder opnames van de elektronenmicroscoop van de deeltjes in oplossing. Verschillende rijen representeren verschillende hoeveelheden styreen, de ruimtes tussen de bolletjes zijn in meer of mindere mate ‘opgevuld’. — Verschillende microscopische deeltjes die door Daniela Kraft en collega’s gemaakt werden. De eerste rij is een schematische weergave van de piepschuimen bolletjes (wit) en het styreen (blauw) waarmee ze als het ware aan elkaar geplakt worden. In de rijen daaronder opnames van de elektronenmicroscoop van de deeltjes in oplossing. Verschillende rijen representeren variaties in chemische samenstelling van de bolletjes en de ‘lijm’; de ruimtes tussen de bolletjes zijn in meer of mindere mate ‘opgevuld’.
Kraft et al.

Om het proces af te maken voegen de wetenschappers styreen toe (overigens ook het bestanddeel van piepschuim) dat een soort lijm tussen de verschillende bolletjes gaat vormen. Uiteindelijk krijgen de deeltjes in de oplossing een min of meer controleerbare vorm. “Uit een experiment komen meestal een aantal verschillende soorten deeltjes”, zegt Kraft. “Die kunnen we overigens wel scheiden maar dan blijft er relatief weinig over. Dat is een van de verbeterpunten van dit onderzoek.”

Nanodeeltjes van goud

Al langer werken wetenschappers met nanodeeltjes van goud. Ze proberen methodes te vinden om de vorm van de deeltjes, die ‘groeien’ in een goudoplossing, te beïnvloeden. Een van die manier is het toevoegen van stukjes DNA aan de oplossing, die als een soort steiger dienen voor de deeltjes. Dit werkt echter niet bij de deeltjes van Kraft. “Onze deeltjes zijn wel 50 keer groter en daarvoor gelden eigenlijk andere regels”, zegt ze. “In verhouding tot onze deeltjes is de steiger van DNA te klein om te kunnen helpen met het vormen van de deeltjes.”

Verder bouwen

Kraft laat weten dat ze als het ware een methode hebben gevonden om nieuwe legosteentjes te maken. En daarmee wil ze graag verder werken. “We willen nu proberen om complexere structuren te bouwen, door onder andere gebruik te maken van de rondingen van de piepschuimen bolletjes die uit onze deeltjes steken”, zegt ze. “Het is mogelijk om op die plekken andere deeltjes te hechten zodat je kunt gaan bouwen.”

Piepschuimen deeltjes met verschillende vormen. De staafjes en driehoekjes worden gevormde door bolletjes op een bepaalde manier samen te laten klonteren. — Piepschuimen deeltjes met verschillende vormen. De staafjes en driehoekjes worden gevormd door bolletjes op een bepaalde manier samen te laten klonteren.
Kraft et al.

Waar de microdeeltjes uiteindelijk hun toepassing vinden is nog onduidelijk. In het artikel wordt al geschreven over nanorobotica , maar dat is volgens Kraft nog behoorlijke toekomstmuziek. “Dit kan al veel eerder toepassingen vinden in bijvoorbeeld verf”, zegt ze. “Daarin wordt nu ook al gebruikgemaakt van microscopische deeltjes om te zorgen dat de verf zich beter verdeelt.”

Die deeltjes waren tot nu toe altijd rond. Kraft weet zeker dat het toevoegen van niet-ronde deeltjes aan een vloeistof ander gedrag veroorzaakt. “Misschien kunnen we er wel voor zorgen dat verf bijvoorbeeld minder drupt”, zegt ze. “Maar dat moeten we eerst gaan testen. Het is doorgaans erg moeilijk te voorspellen welk gedrag deze deeltjes op grote schaal veroorzaken.”

Bron

Meester V. et al., Colloidal Recycling: Reconfiguration of Random Aggregates into Patchy Particles, ACS Nano (25 maart 2016), DOI:10.1021/acsnano.5b07901

Reageer