Zoeken naar een minuscule fata morgana

15 oktober 2010

Een fata morgana ontstaat wanneer door zonlicht de lucht boven de grond opwarmt. Natuurkundige Michel Orrit en zijn collega’s hebben dit principe gebruikt op de schaal van nanometers om enkele moleculen te zien. Hun artikel verscheen op 15 oktober in Science.

Luchtspiegeling

Op een warme dag kan het asfalt van een weg zo heet worden, dat de luchtlaag boven de weg ook opwarmt. In warme lucht wordt licht anders afgebogen dan in koude lucht. Het gevolg: je ziet een voorwerp op de weg, zoals een stoplicht, gespiegeld worden boven de weg. Men spreekt dan van een fata morgana of luchtspiegeling.

Onthuld

Iets vergelijkbaars gebeurt als een molecuul energie uit een bundel laserlicht absorbeert. De omgeving van het molecuul warmt dan ook een klein beetje op. Een tweede bundel laserlicht wordt in deze omgeving net iets anders afgebogen dan normaal. Onder de microscoop is te zien waar dit gebeurt en hierdoor kan het absorberende molecuul worden onthuld.

Kleine stapjes

Dat is zeer kort door de bocht de techniek die moleculair fysicus Michel Orrit en drie collega’s hebben gebruikt om enkele moleculen in beeld te brengen. In werkelijkheid komt er een stuk meer bij kijken. ‘Het opwarmende effect van de omgeving rond een molecuul is heel erg zwak’, legt Orrit uit. ‘We hebben in dit onderzoek allemaal kleine stapjes moeten doen die de techniek verbeterde, tot het lukte enkele moleculen te zien.’

Fluorescentie

Om enkele moleculen te bestuderen wordt normaal gesproken fluorescentie gebruikt. Hierbij worden de moleculen zichtbaar doordat ze licht uitzenden en hun omgeving niet. ‘Tegen de zwarte achtergrond zijn de moleculen duidelijk te zien’, zegt Orrit, ‘maar het nadeel van deze techniek is dat weinig moleculen fluorescerend werken. Daarentegen zijn er wel veel moleculen die licht kunnen absorberen.’ De techniek van Orrit kan deze moleculen nu laten zien.

Fundamenteel

Onder absorberende moleculen vallen veel natuurlijke moleculen die in ons lichaam zijn te vinden, zoals hemoglobine. Dat is een voorbeeld van een molecuul dat Orrit nader wil gaan bestuderen. Onderzoek naar enkele moleculen is veelal fundamenteel van aard: begrijpen hoe een molecuul werkt of hoe het reageert met andere moleculen. Toepassingen zijn ver weg. Orrit: ‘Maar informatie over de binding van moleculen zou wellicht ooit van pas kunnen komen bij het ontwikkelen van nieuwe sensors of medische toepassingen.’

Artikel:
A. Gaiduk, M. Yorulmaz, P.V. Ruijgrok, M. Orrit, Room-Temperature Detection of a Single Molecule’s Absorption by Photothermal Contrast
In: Science van 15 oktober 2010