Je leest:

Nanodeeltjes bekijken met 3D-bril

Nanodeeltjes bekijken met 3D-bril

Auteur: | 2 maart 2011

Voor het eerst is het mogelijk om nanodeeltjes in beeld te brengen in 3D, tot op enkele atomen nauwkeurig. De nieuwe techniek, ontwikkeld door wetenschappers uit Nederland, België en Zwitserland, biedt de mogelijkheid nanodeeltjes beter af te stemmen op nieuwe toepassingen.

Oplossingen van nanodeeltjes goud, waarbij de grootte van de deeltjes per oplossing verschilt. De kleine afmetingen maken dat het licht anders reflecteert. Hierdoor krijgen de deeltjes een andere kleur.
Wikimedia Commons / Aleksandar Kondinski

Size does matter. Dat zou zomaar de slogan van nanotechnologie kunnen zijn. De kern van nanotechnologie is namelijk dat materialen of structuren met nano-afmetingen (een nanometer is een miljardste meter) andere eigenschappen hebben dan diezelfde materialen ‘in het groot’. Goud, zoals wij het kennen, reageert bijvoorbeeld nergens mee. Dat is erg fijn voor onze sieraden. Maar een nanodeeltje goud is juist enorm reactief. Ook is een nanodeeltje goud niet goudkleurig, maar rood of blauw.

Het is vanwege de kleine afmetingen van nanodeeltjes dat ze zulke bijzondere, nieuwe eigenschappen krijgen. Maar welke eigenschappen ze nu precies hebben, hangt af van hun uiterlijk, of beter gezegd: de atomische structuur. De posities van atomen aan het oppervlak bepalen bijvoorbeeld de manier waarop een nanodeeltje chemische reacties aangaat of elektriciteit geleidt. Tot voor kort kon die structuur alleen in twee dimensies bepaald worden. Onderzoekers uit Zwitserland, België en Nederland voegen hier met een nieuwe techniek nu een derde dimensie aan toe, waarbij de posities van alle atomen individueel kan worden bepaald. Iets wat in de materiaalwetenschappen wel gezien wordt als ‘de heilige graal’, aldus wiskundige Joost Batenburg, die namens Nederland onderdeel uitmaakte van het team.

Een Japanse puzzel. De cijfers geven aan hoeveel vakjes zwart gekleurd moeten worden in de betreffende rij of kolom. ‘3 3’ betekent dat er twee keer drie vakjes aaneen zwart moeten worden, maar je moet zelf uitvinden waar in de rij of kolom die twee rijtjes zich bevinden. Uiteindelijk ontstaat er een figuur.

Japanse puzzel

De techniek bestond uit drie stappen. Allereerst werden met een elektronenmicroscoop uit verschillende hoeken afbeeldingen gemaakt van een zilvernanodeeltje. Dat is op zich niet nieuw: met een elektronenmicroscoop plaatjes maken kan al zo’n veertig jaar. Sinds kort is het ook mogelijk om hetzelfde nanodeeltje uit verschillende hoeken te bekijken. Toch is de afbeelding niet meer dan een projectie. Elektronen zoeven door het materiaal heen en worden op een scherm opgevangen. Hoe dikker het materiaal – dus hoe meer atomen de elektronen tegenkomen – des te lager de intensiteit op het scherm. Maar uit hoeveel atomen het materiaal nu precies bestaat en waar ze zich bevinden, blijft nog vrij onduidelijk.

Met behulp van statistische modellen lukte het wel om van een rij atomen te bepalen hoeveel het er zijn. De afbeeldingen werden als het ware scherper gemaakt. Tenslotte was het aan wiskundige Batenburg om een wiskundig algoritme te bedenken waarmee je de verschillende afbeeldingen kon samenvoegen tot een 3D-plaatje. “Mijn werk was te vergelijken met het oplossen van een Japanse puzzel”, zegt Batenburg, “waarbij een zwart vakje een atoom voorstelt en een wit vakje geen atoom. Alleen had ik geen informatie over de ruimtes tussen atomen. Ik wist alleen dat er bijvoorbeeld vier atomen in een bepaalde rij zaten, maar niet hoeveel ‘wit’ daar tussen moest zitten.” Toch loste hij de puzzel op, met als resultaat een 3D-plaatje waarbij van elk atoom de positie nauwkeurig was bepaald.

Gerichter toepassingen maken

Het resulterende 3D-plaatje van een nanodeeltje zilver dat het team onderzoekers met deze techniek wist te maken.
EMPA

Volgens Batenburg kunnen nanodeeltjes met deze techniek beter op toepassingen afgestemd worden. Batenburg: “Nu gebeurt het ontwerpen van nanodeeltjes op basis van ‘trail-and-error’: eerst wordt met een nieuw chemisch proces een deeltje gemaakt en vervolgens wordt gekeken welke eigenschappen het heeft. De nieuwe techniek laat nanodeeltjes tot op enkele atomen nauwkeurig zien, waardoor je de eigenschappen daadwerkelijk leert begrijpen. Hierdoor kun je nanodeeltjes gerichter op toepassingen ontwerpen.”

De volgende stap is om de techniek toe te passen op nanodeeltjes met meerdere atoomsoorten. “Een Japanse puzzel met verschillende kleuren dus eigenlijk”, aldus Batenburg. Over een jaar of tien moet de techniek voldoende geperfectioneerd zijn om 3D-plaatjes van nanodeeltjes in enkele dagen gereed te maken. Nu kostte de eerste keer nog een aantal maanden.

Bron:

S. van Aert e.a., Three-dimensional atomic imaging of crystalline nanoparticles, Nature 470: 374-377 (17 februari 2011) DOI:10.1038/nature09741

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 02 maart 2011

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.