Je leest:

Onderzoek uitgelicht: fysicus Peter Schall

Onderzoek uitgelicht: fysicus Peter Schall

Hoopt in de ruimte perfecte ‘kristallen’ van nanodeeltjes te bouwen

Auteur: | 8 september 2010

Fysicus Peter Schall van het Amsterdamse Van der Waals-Zeeman Instituut (UvA) ontwerpt en bestudeert deeltjes die pakweg duizend keer groter zijn dan atomen. Net als atomen kan hij deze deeltjes rangschikken in regelmatige structuren en er uiteenlopende materialen mee maken. Om het vormen van perfect regelmatige kristallen zonder storing door zwaartekracht te bestuderen stuurt hij zijn deeltjes de ruimte, in naar het ruimtestation ISS.

‘De hele scheikunde is gebouwd op atomaire deeltjes. Onze deeltjes kun je beschouwen als enorme atomen; ze zijn de volgende nieuwe uitdaging in mijn vakgebied’, aldus Schall. Schall tikt op een leeg metalen pepermuntblikje. ‘Dit materiaal is opgebouwd uit atomen: de eigenschappen daarvan kennen we wel zo’n beetje. Maar wij bestuderen deeltjes die veel groter zijn, denk aan nanometers tot micrometers.’

Het grote voordeel van deeltjes van die grootte is hun zichtbaarheid, vertelt Schall. ‘Micrometers kun je tegenwoordig direct zien onder de microscoop. Toen ik hier in 2005 kwam, heb ik de beste confocale microscoop gekocht die toen beschikbaar was. Daarmee kunnen we driedimensionale beelden maken van onze nanodeeltjes en zelfs de beweging ervan volgen. Atomen zijn daarvoor te klein, die kun je niet in drie dimensies individueel zichtbaar maken.’

Peter Schall: “A whole zoo aan nieuwe substanties ligt klaar om ontdekt te worden”.
Bob Bronshoff | UvA

Nanodeeltjes bekijken

De informatie die de studie van de nanodeeltjes oplevert biedt volgens Schall ook nieuwe inzichten in atomaire materie. ‘Het is verbazingwekkend hoeveel gelijkenissen nanodeeltjes hebben met atomen.’ Beide hebben twee belangrijke ingrediënten, legt hij uit. ‘Allereerst is er de thermodynamica: deeltjes wiebelen op hun plek, ook in vaste materialen. De snelheid daarvan is afhankelijk van de temperatuur. Het andere ingrediënt zijn de onderlinge aantrekkingskrachten die deeltjes samenhouden.’

De beweging van nanodeeltjes wordt de Brownse beweging genoemd: een onregelmatige beweging die afhankelijk is van de temperatuur. ‘Aan de hand daarvan kunnen we thermodynamica bestuderen en parallellen trekken met atomaire deeltjes’, vertelt Schall. De aantrekkingskrachten tussen nanodeeltjes verschilt daarentegen fundamenteel van die van atomen. ‘Op atomaire schaal heb je te maken met kwantummechanica. Voor onze nanodeeltjes gaat dat niet op.’

Wel bestaat er bij nanodeeltjes een effect dat wat weg heeft van een bekend kwantumeffect, het casimireffect. De variant voor grotere deeltjes wordt het kritische casimireffect genoemd. Schall: ‘Ze gaan alle twee over de aantrekkingskracht van deeltjes en er zijn grote analogieën. Wij gebruiken het kritische casimireffect om de aantrekkingskracht van onze deeltjes in vloeistoffen te reguleren. Door de temperatuur te veranderen, kunnen we zorgen dat de deeltjes aggregeren en zo nanostructuren bouwen.’

Driedimensionale reconstructie van de overgang tussen een kristal en zijn gesmolten toestand. Rode deeltjes zijn geordend in het kristal, blauwe behoren tot de vloeistof. (Blauwe deeltjes zijn kleiner getekend om de overgang zichtbaar te maken.)
Peter Schall | UvA

Kristallen maken

Een voorbeeld van een materiaal dat Schall op deze manier kan maken zijn fotonische kristallen. Die kunnen de eigenschappen van licht veranderen. ‘Beschouw ze als een soort transistor voor licht, een schakelaar. Licht heeft een golflengte in de ordegrootte van honderden nanometers. Een materiaal dat licht beïnvloedt, moet dus ook bestaan uit deeltjes in die ordegrootte. Onze nanodeeltjes voldoen aan die eis.’

Voor een kristal met enig volume zijn al snel miljarden deeltjes nodig, vertelt Schall. ‘Daarnaast streven we soms naar een structuur die helemaal perfect is, zonder onregelmatigheden of onzuiverheden. Omdat de zwaartekracht op aarde hierop een ongewenste invloed heeft, willen we het materiaalbouwen in de ruimte bestuderen’, legt hij uit. ‘We bouwen structuren door de deeltjes in een vloeistof te laten zweven. Je krijgt dan hetzelfde als bijvoorbeeld vetdeeltjes in melk: een suspensie. Vervolgens zorgen we dat de deeltjes aan elkaar hechten door hun aantrekkingskracht te vergroten, door temperatuurverandering. Maar hoe meer deeltjes we aan elkaar laten clusteren, hoe zwaarder die structuur wordt. Die zinkt dus naar de bodem. Dan is het gedaan met de regelmatige opbouw.’

Er zijn wel trucjes om dit probleem op aarde te omzeilen. Zo is het mogelijk het soortelijk gewicht van de vloeistof aan te passen aan het gewicht van de deeltjes in suspensie. Als de structuur groeit, moet het gewicht helemaal goed aangepast zijn, licht Schall toe. Een technisch probleem daarbij zijn de temperatuursveranderingen die de wetenschappers gebruiken om de aantrekking tussen deeltjes te regelen. ‘Een ander gevolg daarvan is dat materialen van volume veranderen, maar de nanostructuur doet dat anders dan het water. Die veranderende gewichten op elkaar aanpassen is uitdagend.’

Na een studie en promotie natuurkunde in zijn geboorteland Duitsland, werkte Peter Schall drie jaar als onderzoeker in Harvard. In 2005 kwam hij bij het Van der Waals-Zeeman Instituut van Universiteit van Amsterdam om de fysische eigenschappen van zachte materie zoals gels te onderzoeken.
Bob Bronshoff | UvA

Experimenteren in de ruimte

NASA

Omdat de vorming van nanostructuren op aarde altijd wordt verstoord door zwaartekracht, schreven onderzoekers uit Amsterdam en Milaan zo’n zeven jaar geleden een voorstel om de experimenten in ruimtestation ISS uit te voeren. Ver weg van de aantrekkingskracht van de aarde.

Schall: ‘Er is weinig ruimte aan boord en het is duur onderzoek. We zijn dus erg gelukkig dat we uiteindelijk mee mochten. In de ruimte kunnen we het groeiproces onverstoord laten verlopen en bestuderen.’

Interacties bijregelen

In mei zouden astronauten met de experimenten de ruimte ingaan. Door een technische storing is de lancering echter uitgesteld naar september. De suspensies en apparatuur staan al klaar.

Schall: ‘Astronauten zullen de experimenten inzetten, maar het unieke is dat we zelf via een internetverbinding ook controle hebben. Er is imaging apparatuur aan boord om het groeiproces vast te leggen. Die beelden komen direct terug naar de aarde. Op basis daarvan kunnen we de temperatuur en daarmee de interacties bijregelen. We kunnen het hele experiment bevriezen en opnieuw laten smelten, het helemaal omdraaien, ermee spelen. Dat is helemaal nieuw.’

Fundamentele inzichten

Het resultaat van die inspanningen, de hopelijk volmaakte kristallen, keert echter niet terug naar de aarde. Maar daar is het Schall ook niet om te doen. ‘Ik moet het toch nog even benadrukken: het gaat ons vooral om de fundamentele inzichten die dit experiment oplevert.’

Met dit experiment hoopt hij dan ook een voet tussen de deur te hebben om in de toekomst meer en complexere stoffen te kunnen maken. ‘Als je dit productieproces weet te doorgronden en onder controle krijgt, ben je echt de man.’

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 08 september 2010

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.