News

Kristallen onder de zonnebank

Published on December 1, 2021
Category Self-Organizing Matter

Licht stuurt de spontane groei van nanostructuren

Promovendus Marloes Bistervels van de AMOLF onderzoeksgroep Self-Organizing Matter, is het gelukt om de vorming van nanocomposieten in de vorm van koralen of vazen, tot in de puntjes te controleren met licht. Door een oplossing met de juiste ingrediënten te beschijnen met UV-licht kan ze op micrometerschaal controleren waar en wanneer er welke structuren ontstaan. Ze publiceert haar bevindingen deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials.

De groep maakt al enkele jaren prachtige kristalstructuren op nanoschaal, van koralen en vazen tot helices (wokkels). Die structuren vormen spontaan uit diverse chemicaliën in een proces dat zelfassemblage heet. De vorm hangt af van de hoeveelheid en soort stoffen die je bij elkaar voegt. Het onderzoek is erop gericht het proces te begrijpen en controleren.

Dat lukt voor een deel, de onderzoekers kunnen kiezen of ze een koraal of vaas willen maken, maar niet waar en wanneer die begint te groeien bijvoorbeeld. “Er zit nog een vorm van chaos in het proces. Het blijft een spontaan proces waar we toch meer controle over willen krijgen,” zegt groepsleider Wim Noorduin. Bistervels heeft nu laten zien dat licht daarvoor heel geschikt is. Met een dunne straal UV-licht kan ze heel precies en selectief een chemische reactie op micrometerschaal beïnvloeden.

Schakelaar voor chemische reactie
De bloemachtige structuren die de onderzoekers maken ontstaan door een simpele chemische reactie. Het zijn composieten van twee stoffen, bariumcarbonaat (BaCO3) en silica. Zodra er bariumcarbonaatkristallen vormen in een oplossing, doet silica mee en slaat neer samen met de kristallen, waardoor de bijzondere vormen ontstaan. Een beetje van het gas CO2 in de oplossing start dit proces. Als je nu kunt zorgen dat er precies op de plek en het moment dat je wilt CO2 ontstaat, dan heb je een aan-uitschakelaar voor de chemische reactie.

Die schakelaar is er nu. Door met een UV-lamp (vergelijkbaar met die uit een zonnebank) op de oplossing te schijnen valt een van de chemicaliën in de oplossing uit elkaar en vormt CO2 precies en enkel op de plek waar het licht schijnt.

Een timelapse met optische microscopiefoto’s van de groei van een driehoekvormige BaCO3-silica nanocomposiet. Met behulp van een statisch driehoekig UV-lichtpatroon (foto links) stuurden de onderzoekers de contour van de nanocomposiet in de vorm van een driehoek. De groei van de nanocomposiet volgt het lichtpatroon, omdat in het licht de bouwstenen worden gegenereerd. De foto rechts is gemaakt met een elektronenmicroscoop.

Unieke microscoop
Bistervels zag al snel dat haar idee werkte, maar de gewone microscoop waarmee ze de bloemstructuren zichtbaar wilde maken werkte niet goed in combinatie met de UV-lamp. Ze bouwde daarom samen met technici Marko Kamp en Hinco Schoenmaker een speciale microscoop. Daarmee kun je het UV-licht heel precies sturen, zelfs vanuit huis. De gevormde kristallen kun je direct zien door de microscoop en zo nodig het zelfassemblageproces bijsturen. Fred Brouwer, hoogleraar fotochemie aan de Universiteit van Amsterdam, hielp de onderzoekers met zijn kennis van licht en chemische reacties. “Door deze bijzondere samenwerkingen konden we de krachten combineren van chemici en fysici. Ik heb er veel van geleerd,” zegt Bistervels.

Bistervels toonde aan dat je op deze manier grote controle kunt uitoefenen op de structuren die zich vormen. Ze bouwde een helix en een koraal vlak naast elkaar, enkel door de lichtstraal iets te verschuiven en de chemische reactie iets aan te passen. Ze liet daarnaast zien dat je heel veel kristallen naast elkaar kunt maken in een patroon. “Deze experimenten zijn niet triviaal,” zegt ze. “Je hebt verschillende condities nodig en een veelzijdige controle over tijd en plaats.”

Een optische microscopiefoto van een millimeters lange BaCO3-silica nanocomposiet. De nanocomposiet is gegroeid met behulp van met een dynamisch UV-lichtpatroon. Door het UV-lichtpatroon, waar de bouwstenen gegenereerd worden, met de juiste snelheid voor het groeifront uit te bewegen, kunnen de onderzoekers de groeirichting van nanokristallen sturen. Het duurde 47 uur om deze millimeters lange lijn van nanokristallen te groeien.

Het bijzonderste experiment is het tekenen van een lijn, zeggen de onderzoekers. Op het eerste gezicht niet spectaculair, maar Bistervels zegt: “Dit laat zien hoeveel controle we hebben. Het temmen van de richting waarin de kristallen groeien, dat is echt mooi. Je controleert een proces op nanoschaal en ziet het resultaat met het blote oog.”

Biomineralisatie sturen
De structuren zijn niet alleen een lust voor het oog. Door te leren hoe ze met licht het ontstaan van de structuren kunnen sturen, hebben de onderzoekers belangrijke kennis opgedaan over zelfassemblage. “De methodes om lokaal chemische reacties te manipuleren kunnen we toepassen op vergelijkbare zelfassemblerende systemen. Daarnaast zien we ook mogelijkheden om deze nieuwe methodes te gebruiken om meer te begrijpen van biomineralisatie in de natuur zoals de vorming van botten” zegt Noorduin.

In een ander project binnen de groep Self-Organizing Matter is het gelukt om de kristallen om te zetten naar halfgeleiders. Dat zijn essentiële materialen voor zonnecellen, leds en computerchips. Noorduin legt uit: “Als we halfgeleiders in elke gewenste vorm kunnen maken zonder een dure en complexe cleanroom, kan dit interessant zijn. Denk bijvoorbeeld aan het fabriceren van elektronische componenten door zelf-assemblage. We zijn daarvoor nu aan het onderzoeken hoe we driedimensionale structuren kunnen controleren om vervolgens patronen te maken.”

Referentie
Marloes H. Bistervels, Marko Kamp, Hinco Schoenmakers, Albert M. Brouwer and Willem L. Noorduin, Light-controlled nucleation and shaping of self-assembling nanocomposites, Advanced Materials (2021), doi.org/10.1002/adma.202107843