Je leest:

Kijken op nanoniveau

Kijken op nanoniveau

Auteur:

We zien zaken op de nanoschaal alleen door de ogen van speciale microscopen. Maar waarom gebruiken wetenschappers soms de ene en dan weer de andere techniek? En hoe werken ze precies?

Nanotechnologie werd pas echt een eigen onderzoeksveld met de komst van technieken om het nanoniveau in beeld te brengen. Een ‘gewone’ lichtmicroscoop heeft namelijk een waarnemingsgrens. Kleiner dan 250 nm kun je met zichtbaar licht niets meer zien, omdat je object dan kleiner is dan de helft van de golflengte van het licht en dan kaatst het licht niet meer (voldoende) terug.

Met een lichtmicroscoop losse moleculen bekijken zit er dan ook niet in: de meeste moleculen zijn namelijk kleiner dan die 250 nanometer -enkele uitzonderingen zoals strak opgevouwen DNA daargelaten- en dus te klein om op die manier te kunnen zien. Maar met de komst van de elektronenmicroscoop (EM), de atomic force microscoop (AFM) en de scanning tunneling microscoop (STM) werd het mogelijk om losse moleculen te zien en te manipuleren. Naast zeer interessant onderzoek, leveren ze ook prachtige plaatjes op, die vaak langskomen in de rubriek nanokunst. Hoog tijd dus om eens precies uit te leggen hoe deze apparaten werken.

Small
Schets van de allereerste elektronenmicroscoop, uit het schrift van Ernst Ruska. Hij kon maar 16x vergroten.

Schieten met elektronen

Het eerste prototype van de elektronenmicroscoop (EM) werd in 1931 in Duitsland ontwikkeld, door natuurkundige Ernst Ruska en ingenieur Max Knoll. Het apparaat kon nog maar zestien keer vergroten, maar het was genoeg om het principe te bewijzen dat je ook andere golven dan licht kunt gebruiken om een beeld te maken.

De elektronenmicroscoop gebruikt namelijk (hoe kan het ook anders) elektronen. Ze worden vanuit een elektronenbron weggeschoten, meestal een draadje wolfraam waar heel veel stroom op wordt gezet. De stroom elektronen wordt met behulp van een serie elektromagneten door een vacuüm buis geleid, richting het object dat je wilt bekijken. Dat kan van alles zijn, maar laten we als voorbeeld even een laagje goudatomen nemen.

Zodra de elektronen bij het goud aankomen, gaan ze er dwars doorheen. Atomen bestaan namelijk uit een hele kleine kern met een wolk elektronen er omheen. De elektronen uit de straal kunnen tussen de elektronenwolk van de atomen heen bewegen en zo aan de andere kant van het goud terecht komen. Maar het goudlaagje mag daarbij niet te dik zijn: maximaal een paar honderd nanometer. Hoe dunner, hoe beter het uiteindelijke beeld.

Terwijl de elektronen tussen de atomen van het monster door gaan, worden ze deels afgeketst en veranderen ze een klein beetje van richting. Aan de achterkant van het monster worden de elektronen weer opgevangen door een elektromagnetische lens en naar een detectieplaat geleid.

Medium
Hier zijn Ernst Ruska en Max Knoll bezig met het bouwen van de allereerste elektronen microscoop.

Via een ingewikkelde wiskundige Fourier-transformatie maakt de computer weer een plaatje van het stippenpatroon op de detector. Daarmee lukte het Ruska en Knoll al vlug om de detectiegrens van de lichtmicroscoop te doorbreken. In 1933 maakten ze reeds een afbeelding van 200 nanometer aan goudatomen en in 1986 kreeg Ruska er een halve Nobelprijs voor de natuurkunde voor. Knoll werd daarbij gemakshalve even vergeten.

Inmiddels is het apparaat flink verbeterd en kan een object -afhankelijk van de kwaliteit van het monster en de detectiemethode- wel vijftig miljoen keer vergroot worden. Dan kun je op 0,05 nanometer nauwkeurig kijken, ruim voldoende om er nanotechnologisch onderzoek mee te doen.

Phage
Bacterievirussen vallen een bacteriecel aan. Dit plaatje is gemaakt met een EM.

Beperkingen

Je kunt echter niet zomaar alles onder een EM leggen. Wat je wilt zien moet wel tegen vacuüm kunnen. Daardoor vallen de meeste vloeibare monsters af, zoals bijvoorbeeld een eiwit in water. Kleine beetjes vloeistof verdampen namelijk heel vlug onder zulke lage druk. Die kunnen alleen bestudeerd worden als ze chemisch gefixeerd zijn, of heel vlug diep ingevroren worden. Ook mag je object nog geen nanometer bewegen. Op je gemak kijken hoe twee moleculen ‘live’ een reactie met elkaar aangaan is er hier dus niet bij.

Daar staat tegenover dat je met een EM wèl ruimtelijke weergaves kunt maken. De elektronen worden namelijk ook afgebogen door de atomen middenin het monster. In combinatie met razendsnel invriezen, is het zo sinds een paar jaar mogelijk om nauwkeurige 3D plaatjes van eiwitmoleculen te maken. Daarmee gaat deze techniek de concurrentie aan met röntgenkristallografie. De afgelopen vijftig jaar heeft de EM tot interessante inzichten geleid. Bijvoorbeeld de structuur van een virus; het ‘octaëder-met-injectiespuit’-beeld hadden we zonder de elektronmicroscoop niet (zo snel) gehad.

Small
Deze spin heeft een goudlaagje gekregen in voorbereiding van zijn SEM scan.

SEM, De kleine broer van de EM

De EM heeft nog een broertje, de scanning elektronenmicroscoop (SEM). Hierbij worden alleen de elektronen opgevangen die scherp afketsen op de buitenste laag atomen.

Om een plaatje te maken van het hele oppervlak van het monster, sturen de elektronenlenzen de bundel elektronen razendsnel heen en weer over het oppervlak van het monster. Alle ‘scanlijntjes’ worden dan samengevoegd tot een afbeelding.

Maar dit kan alleen bij monsters met zware atomen zoals goud, ijzer en lood, daar ketsen elektronen namelijk gemakkelijk op af. Voor onderzoek in de chiptechnologie is dit meestal geen probleem, maar biologische monsters worden vaak bedekt met een dun laagje goudatomen om alsnog een gedetailleerde afbeelding te maken.

Voelen met een stroompje

De andere helft van die Nobelprijs uit 1986 ging naar Gerd Binnig en Heinrich Rohrer voor hun ontdekking van de Scanning Tunneling Microscoop. In het Nederlands heet hij eigenlijk rastertunnelmicroscoop, maar die term wordt nauwelijks nog gebruikt. De afkorting STM is veel gebruikelijker. En zo ziet hij eruit:

Medium

Het principe van de STM is heel anders dan dat van de EM of de lichtmicroscoop. In plaats van een beeld te maken met golven straling, tast de STM het oppervlak van een monster af met een heel dunne naald. Deze naald is gemaakt van materiaal dat elektriciteit kan geleiden, zoals metaal of koolstofnanobuisjes, en zo dun mogelijk: bij voorkeur maar één atoom dik. Tijdens de meting raakt hij het oppervlak van het monster nèt niet, maar zweeft er ongeveer 0,3 nanometer boven. Als atomen zo dicht bij elkaar worden gebracht, gaat het quantummechanische tunnelingseffect een rol spelen. Eigenlijk komt dat er op neer dat er elektronen van het monster naar de naald over kunnen springen, wat meetbaar is als een klein stroompje.

Handig daarbij is dat de stroomsterkte exponentieel afneemt als de naald verder van het monster af zit. Dat betekent dat bij een heel klein verschilletje in afstand -zeg, 0,1 nanometer- de stroom direct tien keer kleiner wordt. Per atoomdikte (0,2 à 0,3 nanometer) zie je dus 100-1000 keer minder stroom. Hoogteverschillen in het monster zijn daardoor haarscherp in kaart te brengen.

Om een afbeelding van het hele oppervlak van het monster te maken, ‘scant’ de naald heen en weer, als een blinde die braille leest. Onderstaand filmpje geeft er een goed beeld van.

Misschien nog duidelijker: met dit programma kun je ‘zelf’ verschillende monsters scannen.

Niet alles kan

De allereerste STM’s waren enorme, gevoelige apparaten: één kuchje, luidruchtige collega’s op de bovenverdieping of een voorbijrijdende tram waren al genoeg om de meting te laten mislukken. De allereerste plaatjes werden dan ook in het holst van de nacht gemaakt. Tegenwoordig zijn de STM’s een stuk robuuster en passen ze op een labtafel.

Een STM is vooral nuttig om naar platte monsters te kijken, aangezien hij alleen de buitenste laag atomen in kaart kan brengen. Daarnaast moet je monster voor een nauwkeurige STM-meting wel in staat zijn elektronen over te laten springen; oftewel, het moet stroomgeleidend zijn. Even naar een stukje plastic kijken wordt dus moeilijk.

Small
35 losse xenonatomen op een nikkelondergrond.
IBM

Monsters in water zijn echter geen probleem en ook chemische reacties bestuderen terwijl ze in volle gang zijn, behoort tot de mogelijkheden. In Nijmegen gebruikten ze de STM om zuurstofmoleculen met een katalysator te zien oxideren. En zelfs de ruimte tussen de atomen van een plat molecuul werd onlangs waargenomen.

Maar met de STM kun je ook losse atomen manipuleren. Door met de punt van de naald zwak-bindende atomen voort te duwen, maakten IBM wetenschappers het inmiddels legendarische plaatje hiernaast.

AFM: op de tast

Na zijn succes met de STM, ging Binnig op zoek naar een manier om ook ongeleidende monsters in kaart te brengen. Samen met zijn collega’s Calvin Quate en Christoph Gerber ontwikkelde hij de atomische tastmicroscoop (AFM).

Small
No Small Matter, Felice Frankel

Deze microscoop is ook gebaseerd op scannen met een naald, maar meet kracht (‘force’) en geen stroom. Het principe is eigenlijk nog simpeler: je zet een naald op een oppervlak en trekt het oppervlak opzij, waarbij de naald vanzelf omhoog komt als hij een atoom tegenkomt.

Een andere mogelijkheid is dat de punt door de Vanderwaalskrachten van het monster aangetrokken wordt. Dan gebruikt men een andere modus, de tapping mode. Hierbij wordt de punt in trilling gebracht en tikt steeds eventjes het monster aan, terwijl de naald opzij beweegt. Maar daarbij het bleek moeilijk om hoogteverschillen van minder dan een nanometer nauwkeurig te meten.

Daar verzonnen de wetenschappers een trucje op. De naald zit aan het uiteinde van een flexibel hefboompje. Op de achterkant van dat hefboompje zit een minuscuul spiegeltje waar een laser op schijnt. Daarna wordt de laser een ‘flink eind verderop’ (in ieder geval enkele centimeters) opgevangen door een detector. Als de naald naar boven of naar beneden beweegt, verandert de weerkaatsingshoek van de laser mee. De afstand tussen de hefboom en de detectieplaat werkt zelf ook weer als een hefboom: hoe groter die is, hoe meer de laser op of neer beweegt op de detectieplaat.

Extra functie

De AFM eist erg weinig van een monster: je kunt er bijna alles onder leggen. Het is zelfs mogelijk om de binding van een eiwit aan DNA te volgen, door vlak na elkaar verschillende plaatjes te maken. De resolutie was tot voor kort wat minder nauwkeurig dan de STM of de EM, maar kortgeleden lukte het wetenschappers om de losse atomen van één enkel molecuul scherp in beeld te brengen.

Daarnaast is het heel makkelijk om de AFM-naald van extra functionaliteit te voorzien. Door een molecuul aan de punt van de naald vast te plakken dat bijvoorbeeld bindt aan één specifiek eiwit, is de exacte locatie van dat eiwit op een oppervlak aan te tonen.

Medium
Aan de punt van deze AFM naald hangt een antilichaam. Dat bindt alleen aan één specifiek molecuul. Als tijdens het scannen van het oppervlak het antilichaam ineens bindt, komt er spanning op de hefboom te staan. Dat is meetbaar, en zo kun je de aanwezigheid van dat molecuul aantonen.

Er is een nieuwe wereld voor ons opengegaan dankzij deze microscopen. Ze worden inmiddels in allerlei takken van de wetenschap gebruikt. Medici, biologen, scheikundigen, natuurkundigen en elektrotechnisch ingenieurs: allemaal zijn ze nieuwsgierig hoe de nanowereld er nou uitziet.

Nano kunst in optima forma. Mede mogelijk gemaakt door de EM, STM en AFM

En het resultaat is verbluffend, zoals het filmpje hierboven. Helaas blijft de wereld op nanoschaal wel altijd zwart-wit; te klein voor lichtmicroscopie betekent namelijk ook dat er geen kleuren zijn. Omdat het toch leuker is om een beetje kleur in je wetenschappelijke publicatie te brengen, kleuren onderzoekers de plaatjes vaak in; gewoon op de computer, met Photoshop.

Zier ook:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/nanotechnologie/index.atom?m=of", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 09 december 2010

Discussieer mee

0

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

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE