Je leest:

Nieuw zicht op kristallisatie dankzij vriesmicroscoop

Nieuw zicht op kristallisatie dankzij vriesmicroscoop

Auteur: | 16 maart 2009

Chemici van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) hebben het allereerste begin gezien van de vorming van kristallen vanuit een oplossing. Met een bijzondere elektronenmicroscoop zagen ze ionenclusters samenklonteren tot nanopartikels waarin de ‘geboorte’ van kristallen plaatsvindt. De onderzoekers bestudeerden de kristallisatie onder ‘biologische’ omstandigheden en verwachten dat hun ontdekking zal helpen de vorming van botten, tanden en schelpen verder te begrijpen. Het wetenschappelijke tijdschrift Science plaatste deze week een Eindhovense kristalfoto op de cover.

Dat Science deze week over de Eindhovense ontdekking bericht is op zich al reden voor een klein feestje. Maar dat het wetenschappelijke toptijdschrift er ook op de cover plaats voor inruimt, daar is onderzoeksleider Nico Sommerdijk heel trots op. “Een publicatie krijgen in Science is de droom van iedere wetenschapper. Maar een coverstory, daar durven de meesten niet eens aan te denken”, vertelde hij het Eindhovens dagblad.

De cover van de Science van deze week. Het afgebeelde kristal is vateriet, de verschijningsvorm van calciumcarbonaat waarmee de Eindhovense wetenschappers hun onderzoek naar biomineralisatie uitvoerden. Beeld: www.sciencemag.org

Sommerdijk en zijn collega’s van het laboratorium voor materialen en grensvlakchemie beschikken voor hun onderzoek over een bijzonder krachtige elektronenmicroscoop: de cryoTitan van het Eindhovense bedrijf FEI Company. Ze maakten er opnames mee van een oplossing van calciumcarbonaat, waaruit in de natuur via zogenaamde biomineralisatie onder andere schelpen worden gevormd. Met een speciale ‘snelvriestechniek’ fixeerden ze de structuren in de oplossing om ze vervolgens driedimensonaal in beeld te brengen.

Omwenteling

Wat ze toen zagen zou wel eens een omwenteling kunnen betekenen in het denken over kristallisatie en biomineralisatie. De oplossing blijkt namelijk hele kleine deeltjes met een doorsnede van slechts 0,7 nanometer te bevatten. Duitse onderzoekers namen vorig jaar voor het eerst zulke deeltjes waar, die slechts uit zo’n tien calcium- en carbonaationen blijken te bestaan. Het Eindhovense onderzoek brengt nu aan het licht dat deze minuscule clusters samenklonteren tot nanodeeltjes met een doorsnede van zo’n dertig nanometer. In deze puddingachtige (amorfe) klonters blijkt dan de eerste kristallisatie plaats te vinden.

De eerste aanzet tot kristalvorming is de clustering van losse ionen (rood) zoals weergegeven in de eerste drie plaatjes. Dergelijke pre-nucleatiedeeltjes, met een doorsnede van ongeveer 0,7 nanometer, blijken vrijwel altijd in oplossingen voor te komen, ook als die onverzadigd zijn. De clusters klonteren vervolgens samen tot mineralisatiekiemen (geel) zoals in de onderste twee plaatjes weergegeven. In deze aggregaten, die zo’n 30 nanometer groot zijn, vindt uiteindelijk de kristallisatie plaats (zie volgende afbeelding). Beeld: Technische Universiteit Eindhoven & Thalmighty Web Design.

Deze Eindhovense waarnemingen zijn in tegenspraak met de gangbare opvattingen over kristallisatie. Men dacht altijd dat een kristal een gestructureerde stapeling is van losse ionen die rechtstreeks uit de oplossing worden aangevoerd.

Sommerdijk: “Wij zien dat er twee stappen aan voorafgaan: eerst de vorming van extreem kleine clusters en dan van iets grotere amorfe nanodeeltjes. In die amorfe deeltjes vindt voortdurend herschikking van ionen plaats, waarbij – als ze groot genoeg zijn – steeds allerlei kristalletjes kunnen ontstaan. Pas als die stabiel genoeg zijn kunnen ze verder uitgroeien tot mooie grote kristallen.”

Biomineralisatie

Uit onderzoek aan biomineralisatie was al bekend dat bij de vorming van biokristallen zoals bij schelpen een gestructureerd oppervlak van doorslaggevend belang is. Met de Eindhovense elektronenmicroscoop kon Sommerdijk nauwkeurig vaststellen wat er dan precies gebeurt. In de calciumcarbonaatoplossing bracht hij wat vast stearinezuur aan, waarvan het oppervlak overeenkomt met dat van de suikers en eiwitten die in de natuur aanleiding geven tot schelpvorming.

“We zagen duidelijk dat het oppervlak een stabiliserende invloed had op de amorfe nanodeeltjes”, aldus Sommerdijk. “Als daarin dan de kleine kristalletjes ontstaan, dan blijkt dat het oppervlak een sterke sturende invloed heeft, waardoor alléén kristallen met een ‘passende’ oriëntatie kunnen uitgroeien. Dat is precies wat je in de natuur ook ziet: schelpen zijn enorm sterk omdat de kristalijne structuur van het biomineraal overal dezelfde is.”

Een template, een oppervlak van organisch materiaal, stabiliseert de nanodeeltjes zodat ze verder kunnen uitgroeien (boven). Als ze een bepaalde kritische grootte hebben bereikt ontstaan binnen in het nanodeeltje de eerste kristallijne domeinen (midden). Slechts de kristalletjes waarvan de oriëntatie overeenkomt met die van het template kunnen verder groeien tot ‘volwassen’ kristallen. Beeld: Technische Universiteit Eindhoven & Thalmighty Web Design.

Sommerdijks onderzoek is ook van belang voor het onderzoek naar botgroei en botvervangende materialen. Hij zegt belangrijke aanwijzingen te hebben dat de biomineralisatie van calciumfosfaat – het materiaal waar botten en tanden uit bestaan – op dezelde wijze verloopt. En ook de vorming van ijzeroxide – roest – lijkt op dezelfde manier te verlopen. IJzeroxide wordt door bepaalde bacteriën gebruikt om nanomagneetjes te maken. Sommerdijk wil uiteindelijk zelf dit soort nanotechnologische materialen kunnen maken, op dezelfde wijze gestuurd als in de natuur: door een subtiel samenspel van organische en anorganische materialen.

Dr. Nico Sommerdijk deed zijn onderzoek met een Vidi-subsidie van NWO. Ook de cryoTEM microscoop werd (deels) gefinancierd met NWO-subsidie. Foto: Chris van den Hoogen

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 16 maart 2009

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.