Piepkleine deeltjes bouwen zelfstandig complexe structuren
Kleinere computerchips, smallere cameraatjes; ze worden steeds moeilijker om te maken. Maar wat als de bouwstenen zichzelf opbouwen? Natuurkundige Daniela Kraft bedacht een methode om deeltjes aan te sturen in samenklonteren. Publicatie in ACS Nano.
Zelfstandige bouwstenen
Technologie wordt steeds kleiner en ingewikkelder, om bij ons te dragen of voor medische ingrepen. Tegelijkertijd wordt het ook steeds moeilijker om een complexe structuur te bouwen op nóg kleinere schaal. Zou het niet veel handiger zijn om structuren bottom-up op te bouwen, met piepkleine bouwstenen als uitgangspunt?
Dat is precies de gedachtegang binnen de onderzoeksgroep van Leids natuurkundige Daniela Kraft. Zij werken aan een methode om structuren op te bouwen met colloïden—deeltjes die iets groter zijn dan nanodeeltjes, maar te klein zijn om met het blote oog te zien. En het leuke is dat colloïden helemaal zelf te werk gaan, als zelfstandige bouwstenen. In principe hoeven onderzoekers alleen een paar oplossingen te vermengen en rustig toe te kijken hoe de deeltjes zich tot de gewenste structuur opbouwen.
Klonten
Deze tak van onderzoek staat nog in de kinderschoenen, maar Kraft en haar promovenda Vera Meester hebben nu een forse stap voorwaarts gezet door een methode te ontwikkelen waarmee ze een grote barrière juist in hun voordeel gebruiken. ‘Colloïden hebben sterk de neiging om samen te klonteren,’ zegt Kraft. ‘Dat is eigenlijk heel vervelend, maar wij laten ze hun gang gaan en zorgen daarna dat de klonten herschikken in de juiste structuur.’
Sturen
Ze sturen dit bouwproces door op gezette tijden zout of olie bij de colloïdale oplossing te gooien. Daarmee controleren ze de aantrekkende vanderwaalskrachten en de oppervlaktespanning. Onder invloed daarvan zwellen en herschikken de willekeurig gevormde klonten op een specifieke manier. De soorten en concentraties zout en olie bepalen welke structuur de colloïden uiteindelijk vormen. Door verschillende combinaties te proberen, weet Kraft nu hoe ze een aantal basisstructuren kan creëren, van een simpele haltervorm tot een pentagonale di-piramide.
Kraft: ‘Theoretici kunnen al voorspellingen doen over welke grotere structuren we uit deze basisstructuren kunnen opbouwen, maar in de praktijk is het altijd nog de vraag of dit ook echt gaat gebeuren.’
Medische robotjes
Wanneer natuurkundigen eenmaal genoeg kennis hebben over hoe ze colloïden specifieke structuren kunnen laten bouwen, omzeilen ze de limiet die fabrikanten naderen vanuit hun top-down benadering en kunnen ze vanaf de andere kant—bottom-up—toch de minuscule apparaatjes maken die buiten het bereik liggen van de conventionele industrie.
Kraft: ‘In de toekomst kunnen we dan misschien wel minuscule schakelaars voor licht bouwen, of medische robotjes. Omdat we bottom-up werken, zijn we dan niet gelimiteerd door complexiteit, materiaal of lengteschalen.’
Artikel
‘Colloidal Recycling: Reconfiguration of Random Aggregates into Patchy Particles’, Vera Meester, Ruben W. Verweij, Casper van der Wel, Daniela J. Kraft, ACS Nano (Officiële online publicatie 5 april)
Bijschrift foto: Wanneer onderzoekers olie toevoegen aan colloïdale klonten, herschikken de deeltjes zich tot uniforme complexe basisstructuren. Alle klonten bestaande uit 2 deeltjes vormen dumbbells, van 3 deeltjes driehoeksvormen en van 4 deeltjes tetraëders, zoals ook te zien is op deze foto, gemaakt met elektronmicroscopie.