Je leest:

Moleculen in het gelid geven structuur aan oppervlak

Moleculen in het gelid geven structuur aan oppervlak

Auteur: | 7 december 2006

Vorige week publiceerde het tijdschrift Science een artikel waarin onderzoekers van het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit Nijmegen een opmerkelijk staaltje van moleculaire zelfassemblage beschrijven. Ze laten zien hoe kleurstofmoleculen met miljoenen tegelijk keurig in het gelid springen als de vloeistof om hen heen verdampt. Wat achterblijft is een regelmatig geordend oppervlak met een strak patroon van parallelle lijntjes dat zich over enkele vierkante millimeters uitstrekt. Zo’n oppervlak zou als basis kunnen dienen voor bijvoorbeeld LCD’s (Liquid Crystal Displays), aldus onderzoeksleider dr. Hans Elemans.

De Nijmeegse nanowetenschappers hebben in letterlijke zin een prestatie van formaat geleverd. De schaal waarop zij de moleculaire regelmaat kunnen realiseren is verrassend: andere methoden leveren regelmatige oppervlakken van hooguit 10 vierkante micrometer. Dat is ruim een miljoen keer kleiner.

Opmerkelijk is ook dat relatief kleine moleculen werden toegepast. De onderzoekers gebruikten kleurstofporfyrines die sterk verwant zijn aan de moleculen die onder andere te vinden zijn in bladgroen en in hemoglobine (dat ons bloed rood kleurt). Individuele porfyrinemoleculen lijken op ronde, platte schijfjes; de Nijmeegse onderzoekers ‘plakten’ drie van die schijfjes aan elkaar tot een trimeer.

In het in Science gerapporteerde onderzoek spelen trimeren van porfyrines de hoofdrol. Bij A is zo’n trimeer afgebeeld. Bij B is hetzelfde molecuul schematisch weergegeven. Daarmee wordt duidelijk hoe de bij C afgebeelde ordening van de trimeren in elkaar steekt. Beeld: Radboud Universiteit

De onderzoekers maken de regelmatige structuur door simpelweg een oplossing van de trimeren (bijvoorbeeld in chloroform) op een plaatje mica te laten opdrogen. Hans Elemans, behalve chemicus bij het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit ook coördinator van NanoLab Nijmegen, legt het proces uit met een aardige analogie: “Stel je voor dat in een grote regenbui miljoenen en miljoenen damstenen over Nederland worden uitgestort. Daarna wordt het droog en dan blijken de damstenen keurig op een rij te zijn gaan liggen. Helemaal van Nijmegen naar Amsterdam. En 65 meter verder ligt weer zo’n lijn, en dat over het hele land.” De nanometerdunne lijnen die in werkelijkheid worden gevormd bestaan niet uit rijen enkele schijfjes, zoals de damstenen in Elemans’ voorbeeld, maar uit gekoppelde trimeren.

Impressie van de manier waarop de gekoppelde trimeren in rijen op het oppervlak liggen. Beeld: Radboud Universiteit

Sturing

De lijnen zelf zijn tot een millimeter lang en in relatie tot de minuscule afmetingen van de individuele kleurstofmoleculen is dat heel bijzonder. “De precisie is enorm,” zegt Elemans, “Mijn promovendus Richard van Hameren en ik zagen hooguit een afwijking van vijf procent in de afstand tussen de lijnen.” Door de snelheid van het droogproces te variëren ontstaan lijnen van 1 trimeer dik, of juist wat dikkere, waarbij in dat geval ook de onderlinge afstand tussen de lijnen wat groter is. Ook blijkt het plaatje waarop de structuur neerslaat de dimensies te beïnvloeden: glas geeft dikkere lijnen dan mica.

Atomic force microscoop (AFM) afbeelding van een patroon van lijnen dat spontaan ontstaat na het indrogen van een oplossing van porfyrinemoleculen op mica. De afbeelding geeft een gebied weer van 25 micrometer breed; de lijnen zijn één molecuul dik (4,5 nanometer) en liggen zo’n 650 nanometer uit elkaar. Beeld: Radboud Universiteit

Het mechanisme waardoor de lijnen worden gevormd is complex. Het proces lijkt op het opdrogen van een koffievlek. Alleen, in het geval van de porfyrines zijn de moleculen zo ontworpen dat ze tijdens dat opdrogen op een rij tegen elkaar gaan liggen en op die manier door relatief zwakke interacties toch lange lijnen vormen.

Toepassen

De nieuwe moleculaire zelfassemblage kan het begin zijn van een nieuwe technologie voor het realiseren van fijngestructureerde oppervlakken. Voor allerlei technologische toepassingen – zoals een harde schijf in een computer – is grote behoefte aan fijne rasters. Die worden nu gemaakt door materiaal weg te etsen of te poetsen. In vaktaal: de top-downmethode. Inmiddels lijken de grenzen van die aanpak bereikt; veel fijner en preciezer kan er niet mee worden gewerkt.

Vandaar dat veel wordt verwacht van bottom-upmethoden zoals deze, waarbij spontaan een structuur uit simpele losse onderdelen wordt gecrëeerd. Met name het feit dat door het eenvoudig indrogen van een druppel op een oppervlak binnen vijf seconden bijzonder regelmatige patronen verkregen kunnen worden is een potentieel revolutionaire ontwikkeling.

De vraag is natuurlijk of de nanokleurenribbels wel geschikt zijn voor technologische toepassingen. Elemans denkt van wel en heeft dat inmiddels kunnen bevestigen voor LCD’s (Liquid Crystal Displays). De vloeibare kristallen die voor zo’n display nodig zijn, blijken zich gewillig naar de kleurenribbels te richten. Volgens hem kunnen de porfyrinesporen grote productievoordelen betekenen bij de productie van LCD schermen: “Nu structureren ze het substraat voor zo’n scherm door een materiaal te poetsen met een lap fluweel of een borstel. Dat werkt maar matig: er moeten veel LCD’s weggegooid worden door fouten in de ondergrond. Met onze techniek kan dat straks veel efficiënter.”

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