Je leest:

Behaarde bollen klitten beter

Behaarde bollen klitten beter

Onderzoekers zijn er in geslaagd het moleculaire mechanisme achter de gelvorming van een colloïdale suspensie op te helderen.

Een team van Duitse en Nederlandse onderzoekers is er voor het eerst in geslaagd het moleculaire mechanisme achter de gelvorming van een colloïdale suspensie op te helderen. De moleculen op het oppervlak van de colloïden blijken zich samen met het oplosmiddel te ordenen als de temperatuur verlaagd wordt. Hierdoor plakken de colloïden aan elkaar vast, en ontstaat een gel. Deze verandering aan het oppervlak gaat gepaard met een enorme verandering van de viscositeit van de suspensie. Het is voor het eerst dat wetenschappers de rol van moleculen aan het oppervlakte van colloïden op het gedrag van deze colloïden expliciet waarnemen. De onderzoekers publiceren de resultaten vandaag in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Colloïden zijn minuscule bolletjes met afmetingen van enkele nanometers tot ruwweg een millimeter. In oplossing kunnen deze deeltjes vele verschillende fases vertonen, variërend van een vloeiende, gas-achtige suspensie tot vaste, kristallijne structuren. Zeer visceuze, amorfe gels komen ook veel voor. Vanwege hun grootte zijn colloïdale deeltjes zichtbaar onder een microscoop. Natuurkundigen gebruiken colloïdale suspensies, oplossingen met deze bolletjes, daarom als modelsysteem voor de bestudering van faseovergangen in materie zoals smelten en bevriezen. Daarnaast dienen colloïdale suspensies als markers voor biomoleculaire interacties. Colloïden met bepaalde eiwitten aan het oppervlak zijn bijvoorbeeld gevoelig voor antilichamen. In de aanwezigheid van antilichamen vormt de suspensie dan een gel.

Colloïdaal systeem in wanorde (boven) en ordening (onder). Bron: www.nonmet.mat.ethz.ch

Invloed van interactie tussen deeltjes

De interactie tussen de deeltjes bepaalt het gedrag en de fase van de suspensie. De oppervlaktemoleculen en het oplosmiddel kunnen op hun beurt de interactie tussen de deeltjes beïnvloeden. Door het oppervlak van de colloïden te modificeren kunnen onderzoekers de fase van de suspensie dus beïnvloeden en bijvoorbeeld stabiliseren.

Ondanks de invloed van het oppervlak op het fasegedrag van colloïden, zijn de meeste meettechnieken die dit fasegedrag in kaart brengen, niet gevoelig voor veranderingen aan dit oppervlak. Meestal wordt gekeken naar veranderingen op macroscopische schaal, zoals verlies van warmte, verandering van de viscositeit. Onderzoekers kijken ook op nog kleinere schaal naar de bolletjes met een microscoop zodat ze collectieve veranderingen in detail kunnen zien. Hoewel dit al erg klein is, zijn de oppervlaktemoleculen nog minstens een factor honderd kleiner.

Wetenschappers bestuderen al lang een modelsysteem dat bestaat uit ‘behaarde bollen’. Dit zijn glazen colloïden bedekt met lange, organische moleculen (zie figuur). In de literatuur is veel discussie geweest over de rol van de ‘haren’, de moleculen aan het oppervlak, in het fasegedrag van de colloïdale suspensie. De Duitse en Nederlandse onderzoekers hebben recent een oppervlakte-specifieke spectroscopische techniek ontwikkeld, waarmee zij kunnen volgen hoe de haren zich conformeren, schikken en richten in de suspensie tijdens een faseverandering.

De wetenschappers onderzochten behaarde colloïden, kleine glazen bolletjes (diameter: 100 nanometer) met aan het oppervlak lange organische moleculen (alkyl, CH2-ketens), in de figuur weergegeven door zigzaglijntjes. In werkelijkheid is de diameter van de bolletjes zo’n 100 maal groter dan de lengte van de haren. Bron: www.FOM.nl

Voor het eerst

De onderzoekers koelen de vloeibare suspensie af zodat deze een zeer visceuze gel wordt. Door deze overgang naar een andere fase veranderen de vibraties, trillingen, die de oppervlakte­moleculen maken. De nieuwe techniek is gevoelig voor die veranderingen in de vibraties. De overgang van een vloeibare suspensie naar een zeer visceuze gel blijkt gepaard te gaan met dramatische veranderingen in de conformatie en oriëntatie van de haren (zie onderste figuur). Bij het vormen van een gel ordenen de haren zich in grote mate, waarbij het oplosmiddel de kale plekken opvult. Dit vergroot de interactie tussen de deeltjes. Uiteindelijk blijven de deeltjes aan elkaar plakken en ontstaat de gel. De experimenten laten verder zien dat het nog dagen duurt voordat de haren hun uiteindelijke hoog-geordende structuur bereiken.

Het is voor het eerst dat onderzoekers expliciet een verband hebben gelegd tussen het moleculaire gedrag aan het oppervlak van colloïden en het macroscopische fasegedrag van de suspensie. Dit opent nieuwe perspectieven voor het bestuderen van met name biomoleculaire interacties aan deeltjes met relevantie voor bijvoorbeeld drug delivery.

Van suspensie naar gel. Een suspensie van kleine, behaarde glazen bolletjes van een diameter van ongeveer 100 micrometer wordt afgekoeld. De vloeibare suspensie wordt dan een gel, waarbij de bolletjes aan elkaar vastgeplakt zitten, zoals schematisch aangegeven in de figuur. Dit proces is omkeerbaar. De bovenste helft van de figuur laat zien wat er met moleculen aan het oppervlak van colloïden gebeurt als een gel een vloeibare suspensie wordt of andersom. Te zien is hoe de moleculen zich ordenen bij lage temperatuur. De suspensie vormt dan een gel. De onderste helft laat de vibratiespectra van de oppervlaktemoleculen zien. De vibraties zijn aanzienlijk sterker voor de gel, hetgeen duidt op hoge mate van ordening in de oppervlaktemoleculen. Voor de wanordelijke haren in de suspensie-toestand is het signaal anders van vorm, en zeer zwak. Uit de spectra kunnen de onderzoekers kwantitatieve informatie over de moleculaire (wan-)orde krijgen. Bron: www.FOM.nl

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 augustus 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.