Microzwemmers zwemmen sneller over glibberige siliconen
Micrometers grote, zelfvoortstuwende bolletjes zwemmen sneller op een ondergrond van waterafstotende siliconen dan op water-aantrekkend glas of polyetheen. 'Bijna niemand had erbij stilgestaan dat de ondergrond ertoe doet', zegt ontdekker Stefania Ketzetzi, die het effect ontdekte, onderzocht en verklaarde. Ze publiceerde erover in het vakblad Physical Review Letters.
'Die ontdekking was eigenlijk toeval', zegt Ketzetzi, onderzoeker in de groep van Daniela Kraft. Ze doet onderzoek naar 'zwemmers': colloïdedeeltjes van enkele micrometers doorsnee die voor precies de helft zijn gecoat met een laagje platina.
Kleine raketjes
Als je zulke deeltjes in een oplossing van waterstofperoxide gooit, werkt het platina als katalysator. Die zet het waterstofperoxide om in water en zuurstof. Het ontstaan van die reactieproducten aan één kant van het deeltje stuwt het deeltje voort als een klein raketje. Zulke deeltjes worden actieve deeltjes genoemd; onderzoekers hopen ze in de toekomst te gebruiken als onderdelen van microrobots.
'Ik stuitte op dit effect toen ik aan een project werkte waar ik een ondergrond gebruikte van glas met een polymeercoating', zegt Ketzetzi over de publicatie in Physical Review Letters. 'Die zijn erg hydrofiel. Het viel me op dat de zwemmers veel trager waren. Waarom?' In overleg met groepsleider Kraft besloot Ketzetzi er dieper in te duiken.
Siliconen
Systematisch controleerden de onderzoekers of de elektrische lading van de ondergrond ertoe doet, maar dat leverde geen duidelijk resultaat op. Ook de ruwheid van de ondergrond leek niet veel uit te maken. Toen besloot Ketzetzi ondergronden met een verschillende waterafstotendheid te testen: het super-hydrofobe polydimethylsiloxaan ('siliconen') tegenover glas en polyetheen, bekend van boterhamzakjes. Het bleek dat dit het verschil maakt: de raketjes haalden op siliconen een snelheid van 2,8 micrometer per seconde, tegenover 1 micrometer per seconde op de andere ondergronden.
Hoe waterafstotend een oppervlak is, wordt gemeten in de contacthoek, de hoek die de rand van een waterdruppel maakt met het oppervlak. In hydrofiele oppervlakken spreidt de druppel zich plat uit op het oppervlak en is de contacthoek heel klein. Bij extreem hydrofobe oppervlakken, waarop waterdruppels soms als een bolletje blijven liggen, is de contacthoek juist groot. De onderzoekers zagen dat gelijke contacthoeken gelijke snelheden opleverden. Een hogere contacthoek betekent een hogere snelheid.
Toen was het tijd voor een verklaring, die werd gevonden met hulp van theoretisch natuurkundige Joost de Graaf van de Universiteit Utrecht. De contacthoek is gerelateerd aan de glibberigheid van de ondergrond: hoe groter de contacthoek, hoe glibberiger de ondergrond, en hoe gemakkelijker vloeistof langs die ondergrond stroomt.
Glibberigheid
'De glibberigheid van de ondergrond beïnvloedt de snelheid', zegt Ketzetzi. De voortstuwing komt namelijk door het stromen van vloeistof rond het deeltje. Als dat deeltje over een ondergrond beweegt, zal een deel van die stroming tussen het deeltje en het oppervlak stromen. Dat gaat gemakkelijker bij glibberige, waterafstotende oppervlakken. Bij hydrofiele oppervlakken voelt het water meer weerstand, dus is het moeilijker voor de stromingen om tussen deeltje en oppervlak te bewegen. Dit zal de voorstuwing van het deeltje inderen, en dus wordt de snelheid lager boven hydrofiele ondergronden.
Video van een Platina-microzwemmer
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofLab-on-a-chip
De volgende stap, zegt ze, is te onderzoeken hoe je dit kunt gebruiken. Je zou kunnen denken aan toepassingen zoals lab-on-a-chip, ofwel een miniatuurlaboratorium, of aan drug delivery, waarbij medicijnen op bepaalde plaatsen in het lichaam worden afgeleverd.
Ketzetzi: 'Bij zulke toepassingen zullen de zwemmers zich voort moeten bewegen in complexe omgevingen met verschillende wanden en obstakels. Het is heel belangrijk om het effect daarvan op zwemmers te begrijpen. Met deze kennis kunnen we hun gedrag begrijpen en misschien beheersen.'