Sommige nanodeeltjes klitten in een reageerbuis uit zichzelf samen tot een grotere structuur. Dat is bekend. Een Amerikaans onderzoeksteam ontdekte dat deeltjes die aan elkaar binden stroming veroorzaken waarop andere deeltjes meedrijven. Een onverwachte maar interessante vondst. De structuur die zal ontstaan is hierdoor beter te voorspellen.
De vloeistof in de reageerbuis staat stil toch? Op nanoschaal is er stroming.
Wikimedia Commons/Amitchell125In hun eerdere experimenten besteedde het team van de Universiteit van Pennsylvania weinig aandacht aan de vloeistof in de reageerbuis waarin de bouwblokjes drijven. Maar die tijd is voorbij. Hoogleraren Talid Sinno en John Crocker en hun collega’s kwamen erachter dat de beweging van de vloeistof, oftewel de vloeistofdynamica, van grote invloed is op de soort structuur die ontstaat.
De ontdekking is van belang voor alle zelf-organiserende structuren, schreven zij deze maand over in het wetenschapsblad Proceedings of the National Academy of Sciences.
Simulaties
Het team werkt met nanodeeltjes waar ze korte stukjes enkelstrengs DNA aan vastzetten. Op die manier kunnen ze kristallen ontwerpen die zichzelf effectief in elkaar zetten. De bouwblokjes waarvan ze willen dat die bij elkaar komen, voorzien ze van op elkaar passende stukjes DNA aan het oppervlak. Hierdoor binden alleen de juiste deeltjes aan elkaar.
In een eerder experiment met nanodeeltjes zagen ze iets vreemds. Op de computer maakten ze eerst simulaties die voorspelden hoe de structuren eruit zouden zien. Tot hun verrassing bleken de structuren die in de reageerbuisjes ontstonden veel beter. In de simulatie zat het kristal vol met foutjes en zaten de deeltjes kris kras door elkaar. Maar in het labexperiment lagen ze perfect op een rijtje.
De nanodeeltjes (groen en rood) die de structuur vormen volgen elkaars stroming. Daardoor zijn sommige patronen waarschijnlijker dan andere.
Ian Jenkins, University of PennsylvaniaMeestal is het andersom. Dan gaat het experiment in de computersimulatie goed, en blijken de resultaten in het lab toch tegen te vallen. Blijkbaar was er een belangrijk detail dat de onderzoekers niet mee namen in hun simulatiemodel.
Wegstrepen
Eén voor één streepten ze de mogelijkheden weg tot ze het missende detail vonden: de dynamica van de vloeistof. Omdat de vloeistof in een reageerbuisje stilstaat hadden ze niet gedacht dat deze belangrijk was voor de uitkomst van het experiment.
Niks bleek minder waar. Als de met DNA-bedekte bouwstenen zichzelf in de vloeistof herverdelen, en aan elkaar binden, dan veroorzaakt dat wervelingen in de vloeistof. Waar andere deeltjes vervolgens in stromen. Een interessant fenomeen, dat verklaard waarom sommige patronen in het kristal waarschijnlijker zijn dan andere.
Duizend deuren
In de simulatie kunnen de deeltjes uitkomen in duizenden eindvormen waarvan de patronen niet allemaal even perfect zijn. “Het is alsof je een kamer hebt met duizend deuren”, zegt Crocker. Elk van die deuren brengt je bij een verschillende structuur en slecht één daarvan is het kristal dat wij kregen. Zonder rekening te houden met de vloeistofdynamica stuurt de simulatie je zomaar door één van die deuren.”
Crocker: “De manier waarop de deeltjes samen bewegen, het is net alsof het een school vissen is.”
Wikimedia CommonsDe verschillende paden waarlangs de deeltjes bij elkaar kunnen komen zijn niet allemaal even gemakkelijk te bewandelen. Voor een deeltje is het makkelijker om een plek in te nemen in de structuur door het pad te volgen van een vorig deeltje dat dezelfde beweging maakte. “Het is net als bij stroming”, zegt Crocker. “De manier waarop de deeltjes samen bewegen, het is net alsof het een school vissen is.”
Het team denkt dat in deze vondst de basis ligt voor toekomstig werk aan nanodeeltjes die zichzelf organiseren tot een grotere structuur. “Als het hier belangrijk is, dan is het waarschijnlijk ook belangrijk in de organisatie van andere deeltjes”, zegt Sinno. “Om te begrijpen welke structuur ontstaat moet je de vloeistofdynamica in je ontwerp meenemen.”