‘Kijken naar het allerkleinste leidt tot grote veranderingen’

Kijken naar het allerkleinste is de passie van professor fysica Sara Bals (UAntwerpen). In deze aflevering van de Universiteit Van Vlaanderen legt ze uit hoe je de stapeling van individuele atomen in materialen kan  bepalen, en hoe deze kennis vervolgens gebruikt kan worden om nieuwe materialen te maken.

Alles rondom ons bestaat uit atomen: de stoel waarop we zitten, het scherm waar we naar kijken en zelfs het glas waar we uit drinken. De laatste decennia zijn wetenschappers er in geslaagd om nieuwe materialen, met nieuwe eigenschappen, te maken door individuele atomen in een rooster te stapelen. Je kan het je voorstellen als knutselen met atomen. Die nieuwe materialen zijn meestal heel klein en hebben afmetingen in de schaal van nanometers, wat slechts een miljardste van een meter is. We noemen deze mini-materialen dan ook “nanomaterialen”.

Nanomaterialen zijn zeer interessant omdat hun eigenschappen vaak sterk verschillend zijn van die van hetzelfde materiaal op grotere schaal. Bijvoorbeeld, goud is gekend als een materiaal dat weinig reactiviteit vertoont, maar in de vorm van nanodeeltjes wordt goud net gebruikt om chemische reacties te versnellen. Zonder dat we het misschien goed beseffen heeft nanotechnologie al een belangrijke rol ingenomen in ons dagelijks leven: zo bevat transparante zonnecrème zinkoxide nanodeeltjes en de antibacteriële eigenschappen van zilveren nanopartikels worden onder meer toegepast in wondverband of in coatings voor medische instrumenten. In principe kunnen er nog veel meer toepassingen ontwikkeld worden, maar  knutselen op nanoschaal is best moeilijk omdat je de atomen niet kan zien.

Kijken naar atomen

De onderzoeksgroep Electron Microscopy for Materials Science (EMAT) van de Universiteit Antwerpen is  gespecialiseerd in het bestuderen van nanomaterialen tot op de schaal van individuele atomen. De onderzoekers binnen onze groep werken met zeer krachtige elektronenmicroscopen. Hierbij worden elektronen versneld en dan afgevuurd op een (nano)materiaal. Het resultaat is een afbeelding die overeenkomt met een tweedimensionale projectie van de atomaire structuur. Deze beelden leveren al enorm veel informatie op, maar de eigenschappen van de nanodeeltjes hangen meestal zeer sterk af van hun driedimensionale vorm. Door hun vorm en grootte juist te kiezen, kunnen bijvoorbeeld gouden nanodeeltjes in de toekomst  gebruikt worden om kanker op te sporen of zelfs om kankercellen te vernietigen.

Dit voorbeeld geeft aan dat het cruciaal is te onderzoeken hoe deze nanodeeltjes er uitzien in drie  dimensies. We gebruiken daarom de elektronenmicroscopen om “elektronentomografie” toe te passen, een techniek waarvan je het concept kan vergelijken met het idee achter een medische scanner: tweedimensionale beelden worden opgenomen langs verschillende richtingen en via een computerprogramma kunnen we een driedimensionaal beeld vormen.

Het bijzondere aan de driedimensionale beelden die binnen EMAT worden gemaakt, is dat ze atomaire resolutie vertonen. We kunnen het materiaal dus atoom per atoom in kaart brengen. Daarbij kunnen we niet enkel bepalen waar een atoom zich bevindt, maar ook welk soort van atoom het is: goud, zilver, zink, etc.

Deze zeer precieze metingen zijn erg belangrijk omdat kleine afwijkingen van het perfecte rooster van de atomen wel degelijk belangrijke veranderingen kunnen veroorzaken tijdens de toepassingen van de nanomaterialen. Een theoretische fysicus kan bovendien de resultaten van atomaire elektronentomografie gebruiken als start voor het berekenen van de eigenschappen van de nanomaterialen. Op die manier begrijpen we nu ook steeds beter wat de relatie is tussen de structuur en de eigenschappen op nanoschaal. Het streven binnen de nanowetenschap is dat deze kennis in de toekomst zal resulteren in een productie ‘on demand’ van nanomaterialen met specifieke eigenschappen.

Deze mogelijkheid klinkt zeer veelbelovend, maar het is ook belangrijk om ons te realiseren dat er heel wat fundamenteel onderzoek voorafgaat aan het ontwikkelen van nieuwe en nauwkeurige karakteriseringstechnieken. Wetenschappers moeten daarom de vrijheid hebben om voldoende tijd en middelen te investeren in basisonderzoek. Om tot atomaire resolutie te komen met elektronentomografie was het bijvoorbeeld nodig om te investeren in betere elektronenmicroscopen en bovendien was het noodzakelijk om betere wiskundige driedimensionale reconstructie algoritmes te ontwikkelen. Enkel als er ruimte is voor grensverleggend onderzoek kunnen er nieuwe doorbraken gecreëerd worden.

Kijken naar het allerkleinste heeft een grote impact

Ten slotte is het belangrijk om op te merken dat de karakterisering van nanomaterialen slechts een klein stukje vormt van een veel grotere puzzel. Nanomaterialen worden vanuit heel de wereld naar EMAT toegestuurd voor een grondige karakterisering van structuur en samenstelling. Zo is er een nauwe samenwerking met het CIC Biomagune laboratorium in San Sebastian. Binnen deze onderzoeksgroep worden nanodeeltjes ontwikkeld voor medische toepassingen zoals gecontroleerde medicijnafgifte of biosensing. Op hun beurt heeft CIC Biomagune weer een samenwerking met een medische groep. Met de Universiteit Utrecht werken we dan weer samen rond het beter begrijpen van katalyse. Deze inzichten en nieuwe karakertiseringstechnieken kunnen later gebruikt worden in samenwerkingen met industriële partners. Ons fundamenteel onderzoek vormt dus slechts een kleine, maar belangrijke, schakel van een grotere keten.  Het is in ieder geval duidelijk dat  het kijken naar het allerkleinste kan leiden tot grote veranderingen.