Je leest:

Een vlucht spreeuwen op nanoschaal

Een vlucht spreeuwen op nanoschaal

Rafal Klajn gebruikt licht, magneetvelden en CO2 om nanodeeltjes te sturen

Auteur:

Op nanoschaal hebben kleine veranderingen grote gevolgen. Als individuele nanodeeltjes samenklonteren tot iets grotere structuren krijgen ze soms compleet andere eigenschappen. Chemicus Rafal Klajn gebruikt dat principe om nanodeeltjes gecontroleerd aan elkaar te laten plakken en zo materialen te ontwerpen die op commando van functie veranderen.

Een filmpje. Altijd een goed begin van een lezing. We zien een vlucht spreeuwen die als bij toverslag samenkomen en een soort wilde dans gaan uitvoeren. Maar dan allemaal precies op elkaar afgestemd, waardoor het lijkt alsof ze een geheel vormen. Een groot, woest golvend geheel. “Ze doen dit om een valk af te schrikken”, vertelt Rafal Klajn, associate professor Organische Chemie aan het Israëlische Weizmann Instituut. Door samen te opereren doen de spreeuwen iets dat ze in hun eentje niet lukt: de valk verjagen.

Korte opname van spreeuwen die samen gaan bewegen in reactie op een naderende valk.

Het gedrag van de spreeuwen ziet Klajn ook ergens anders: bij nanodeeltjes. Op een extreem kleine schaal – een nanometer is een miljardste meter – speelt zijn onderzoek zich af. Klajn ontwerpt nanodeeltjes die gevoelig zijn voor een externe stimulans, bijvoorbeeld licht of een magneetveld, en daarop reageren door aan elkaar te plakken. Voor zijn onderzoek ontving hij de Netherlands Scholar Award for Supramolecular Chemistry 2016. Deze prijs is bedoeld voor onderzoekers jonger dan veertig jaar die al belangrijke bijdragen aan de supramoleculaire chemie hebben geleverd. NEMO Kennislink was aanwezig bij de prijsuitreiking in Amsterdam.

Award rafal klajn alex tromp voor knaw
Dr. Rafal Klajn (rechts) ontvangt de Netherlands Scholar Award for Supramolecular Chemistry 2016 uit handen van prof.dr. Bert Meijer, Technische Universiteit Eindhoven.
Alex Tromp voor KNAW via FMS (met toestemming)

Plakken

Klajn gebruikt het gedrag van de spreeuwen om te illustreren wat hij ‘dynamische zelf-assemblage’ of ‘dynamische zelf-organisatie’ noemt. Een signaal uit de omgeving zorgt ervoor dat de individuen samenkomen. Dat levert een nieuwe structuur op en daardoor ontstaan eigenschappen die de individuen zelf niet bezitten. “De functie volgt uit de structuur, net zoals we zien bij eiwitten en andere biomoleculen”, aldus Klajn. Zodra het externe signaal verdwijnt, valt het geheel weer uiteen. De individuen opereren weer afzonderlijk, totdat een verandering in de omgeving hen aanspoort elkaar weer op te zoeken.

Als we kijken naar nanodeeltjes resulteert het aan elkaar plakken (in vaktermen: aggregeren) in iets grotere nanodeeltjes met nieuwe eigenschappen. De kern van Klajns aanpak is dat zowel het aggregeren als het uiteenvallen heel gecontroleerd verloopt, waardoor je het gedrag van de nanodeeltjes kunt sturen. Bovendien heeft hij deeltjes gemaakt die verschillend gedrag vertonen, afhankelijk van de stimulans. Het achterliggende idee is dat je daarmee materialen kunt maken die meerdere functies uitvoeren, zonder dat je aan de samenstelling ervan iets hoeft te veranderen. Dit worden ook wel ‘slimme’, ‘adaptieve’ of ‘responsieve’ materialen genoemd.

Klajn kleur en grootte nanodeeltjes
Een van de eigenschappen die wordt bepaald door de grootte van de nanodeeltjes is de kleur. Losse nanodeeltjes absorberen licht van een andere golflengte dan grotere structuren.
R. Klajn 2007 (aangepast), met toestemming

Lichtgevoelige staarten

Een van de manieren die Klajn gebruikt om zijn nanodeeltjes te sturen is door licht van verschillende golflengtes erop te schijnen. Dan moet het nanodeeltje in kwestie natuurlijk wel gevoelig zijn voor licht. De gouden nanodeeltjes die Klajn voornamelijk gebruikt zijn dat niet van zichzelf. Daarom bedekt hij het oppervlak van zo’n nanodeeltje met lichtgevoelige staarten. Onder invloed van UV-licht verandert de vorm van de staarten, waardoor de ladingsverdeling in de staart verandert. De staarten krijgen ieder een relatief positief geladen punt en een relatief negatief geladen punt. Daardoor ontstaan er aantrekkende krachten tussen al die staarten. Met als gevolg dat de staarten van verschillende deeltjes aan elkaar plakken en er aggregaten, samengeklonterde deeltjes, ontstaan. En als die aggregaten iets kunnen wat de losse deeltjes niet kunnen, heb je een systeem dat op commando een bepaalde eigenschap of functie vertoont.

Nanoaggregates klajn
Links losse nanodeeltjes (maatstreepje: 50 nanometer), rechts de grotere structuren die zich vormen onder invloed van UV licht (maatstreepje: 100 nanometer).
R. Klajn 2007 (aangepast), met toestemming

Maar wat kunnen nano-aggregaten zoal meer dan losse deeltjes? Klajn verkent of ze te gebruiken zijn als een tijdelijke omgeving voor chemische reacties. “We hebben deeltjes gemaakt die onder invloed van licht assembleren tot aggregaten met een kristalstructuur. In zo’n kristal zit ruimte en dat kun je gebruiken om andere moleculen in de oplossing met elkaar te laten reageren.” Dit levert een soort reactiekolf op nanoschaal, die een beschermde omgeving biedt waar reacties plaatsvinden die in de oplossing zelf niet mogelijk zijn.

Stel je het als volgt voor. Je hebt een oplossing met daarin nanodeeltjes vol staarten die zorgen voor lichtgevoeligheid. Ook aanwezig zijn stoffen A en B die samen stof C kunnen vormen, maar niet in deze oplossing. Klajn legt uit hoe je toch C kunt vormen. “Onder invloed van licht zullen de nanodeeltjes aggregeren en ontstaan er min of meer afgeschermde ruimtes in die grote deeltjes waar A en B wel kunnen reageren. Zodra C is gevormd zet je het licht uit, de kristallen vallen uit elkaar en je hebt een oplossing van je nanodeeltjes en stof C.”

Nanoflasks klajn
Impressie van de nanokolf. De ruimte tussen de nanodeeltjes is geschikt voor chemische reacties die anders niet plaatsvinden.
Weizmann Institute of Science

Nanokolf

Natuurlijk is dit een omslachtige manier om C te produceren, maar dat is ook niet het doel. Klajn denkt meer aan toepassingen waarbij je in een materiaal een specifieke stof soms nodig hebt, maar niet de hele tijd. Of aan een materiaal waarin je kunt controleren welke stof wanneer wordt gemaakt. “Als je zorgt voor verschillende staarten aan de nanodeeltjes die elk op een andere kleur licht reageren, stuur je de grootte van de aggregaten . De staarten bepalen dan hoe dicht de nanodeeltjes op elkaar komen te zitten en daarmee heb je controle over de grootte van de holtes in die aggregaten. Je kunt dan reactiekolven van verschillende omvang maken en dat bepaalt weer welke reacties daar plaatsvinden.”

Naast licht als externe stimulans werkt Klajn ook aan nanodeeltjes die op andere signalen reageren. Bijvoorbeeld op een magneetveld. “Daarmee kun de ordening in een materiaal sturen om verschillende structuren in hetzelfde materiaal te maken.” Als andere interessante mogelijkheid noemt hij koolstofdioxide, CO2. Een materiaal dat reageert op de aanwezigheid van CO2 en vervolgens zo verandert dat het bijvoorbeeld het gas kan absorberen of omzetten in iets anders. Als je kijkt als Klajn zie je een wereld vol stimulansen.

Bronnen

R. Klajn, et al., Light-controlled self-assembly of reversible and irreversible nanoparticle suprastructures, PNAS 2007, doi:10.1073/pnas.0611371104

D. Samanta, R. Klajn, Aqueous light-controlled self-assembly of nanoparticles, Advanced Optical Materials 2016, doi:10.1002/adom.201600364

H. Zhao, et al., Reversible trapping and reaction acceleration with dynamically self-assembling nanoflasks, Nature Nanotechnology 2015, doi:10.1038/nnano.2015.256

Website Rafal Klajn Group@Weizmann

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 november 2016

Discussieer mee

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

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE