Je leest:

Onderzoek uitgelicht: scheikundige Erika Eiser

Onderzoek uitgelicht: scheikundige Erika Eiser

Auteur: | 27 maart 2007

Onlangs won dr. Erika Eiser van het Van ‘t Hoff Institute for Molecular Sciences met haar collega dr. Gadi Rothenberg de tweede prijs van de Science Park Amsterdam Nieuwe Ideeën Prijsvraag 2006. Samen bedachten zij een manier om moleculen spontaan hele dunne metaaldraadjes te laten vormen, waarmee je zeer kleine chips zou kunnen maken. Blijft het bij dit idee, of gebruiken we straks allemaal deze nieuwe nanotechniek? Eiser licht deze methode toe vanachter een bureau vol potjes gel, die in het laboratorium zijn geproduceerd, maar het blijkt dat je voor de uitleg van sommige principes net zo goed in de keuken kunt staan.

Eiser werkt aan complexe vloeistoffen. Dit zijn stoffen die bestaan uit meerdere materialen en waarvan het gedrag niet alleen op basis van scheikundige reacties tussen de deeltjes verklaard kan worden. Als ook natuurkundige processen een rol gaan spelen in de ordening van de deeltjes, spreekt men van een complexe vloeistof. Voorbeelden zijn haargel, tandpasta, mayonaise en lippenstift. Complexe vloeistoffen komen in de natuur voor, maar je kunt ze ook zelf maken. ‘Meestal gebruiken we hiervoor als hoofdbestanddeel een vloeistof die uit één soort molecuul bestaat, bijvoorbeeld water of alcohol’, zegt Eiser. ‘Door toevoeging van andere materialen wordt het een complexe vloeistof. Je kunt op die manier heel ongewoon gedrag van de stof krijgen, mechanisch gezien. Stop in gewoon water bijvoorbeeld één procent kleideeltjes en je krijgt een hele stevige vaste gel.’ Eiser demonstreert dit door een potje gel dat op haar bureau staat flink te schudden, waarbij de gel nauwelijks in beweging komt. ‘En deze gel bestaat dus voor 99% uit water!’

Erika Eiser Foto: Bob Bronshoff

Kop en munt

Hoe kan een stof die voornamelijk uit water bestaat op kamertemperatuur toch zo vast zijn? Eiser legt uit dat dit te maken heeft met de vorm van de kleideeltjes die ze heeft toegevoegd. Deze lijken namelijk op kleine muntjes, met een diameter van zo’n dertig nanometer (ongeveer een miljoen keer kleiner dan een 1 euromuntstuk) en een dikte van één nanometer. De kop- en muntkant van de kleideeltjes zijn positief geladen en de zijkant negatief. Omdat gelijke lading elkaar afstoot, proberen de kleideeltjes zo ver mogelijk van elkaar af te zitten in het water.

Hierdoor ontstaat stevigheid in het systeem. ‘Vanwege de thermische energie in de vloeistof zijn de kleideeltjes op kleine schaal voortdurend aan het draaien en bewegen. Hoe langer je wacht, hoe harder de gel wordt. Dit is een van de onderwerpen van ons onderzoek: hoe komt het precies dat de stevige structuur van zo’n gel spontaan ontstaat?’

Foto: Bob Bronshoff

Ingewikkelde patronen

Eiser is vooral gefascineerd door de mogelijkheid van de moleculen om zichzelf in een complexe vloeistof te ordenen, ook wel self-assembly genoemd. ‘Ik voeg moleculen toe aan een vloeistof. Afhankelijk van randvoorwaarden als temperatuur en welk oplosmiddel ik gebruik, vormen de moleculen spontaan geordende structuren. Ze maken staafjes of ronde bollen – micellen -, membranen of ingewikkelde patronen.’ Terwijl ze verder vertelt, tekent Eiser een whiteboard vol met uiteenlopende vormen. ‘Mensen zitten ook vol met self-assembled molecules. Al onze celmembranen zijn gemaakt door moleculen die zelf spontaan een bepaalde structuur vormden.’ Een van de moleculen waar Eiser veel mee werkt is het gewone zeepmolecuul. Ze tekent het zeepmolecuul als een kikkervisje met een hydrofiele (waterlievende) kop en een hydrofobe (watervrezende) staart. Wanneer je veel zeep aan water toe voegt, zullen de hydrofobe molecuulstaarten elkaar opzoeken waardoor micellen ontstaan. Als je vervolgens een dergelijke zeep-watervloeistof gebruikt om de afwas te doen, gaat de vette viezigheid van je bord midden in het hydrofobe gedeelte van die micellen zitten, waarna het weggespoeld kan worden.

Zeepmolecuul

Geheim proces

Zeepmoleculen maken echter niet alleen de micellen, maar ook langere structuren. Eiser vindt dit erg interessant. ‘Er bestaat geen apparatuur om structuren op nanometerschaal te maken, dat is gewoon te klein. Dus als we moleculen zo kunnen sturen dat ze dit uit zichzelf doen, is dat natuurlijk geweldig.’ Eiser bedacht samen met Gadi Rothenberg dat het mogelijk moest zijn om de lange zeepmoleculen geen viezigheid te laten opnemen maar metaaldeeltjes. Eiser maakt hiervoor in olie oplosbare gouddeeltjes. Deze gouddeeltjes hebben een olieachtige buitenkant, waardoor ze in het midden van de zeepbuisjes gaan zitten. ‘Vervolgens gebruiken we nog een beetje scheikunde om te zorgen dat de gouddeeltjes aan elkaar gaan zitten. Dit is nog een vrij ingewikkeld en bovendien geheim proces, dus hier wil ik niet te veel over kwijt.’

De dunste metalen draadjes die op het moment in computerchips gebruikt worden zijn zo’n zestig tot honderd nanometer breed. Met de ‘methode-Eiser-Rothenberg’ zou dit kunnen verminderen tot slechts twee nanometer. Bovendien zou selfassembly veel goedkoper zijn dan de dure lithografische methode die nu wordt gebruikt om chips te vervaardigen. Op papier lijkt het prijswinnende idee van Eiser en Rothenberg (ze werden met dit idee tweede in de Science Park Amsterdam Nieuwe Ideeën Prijsvraag 2006) een vrij simpele methode voor het vervaardigen van metalen nanowires. Toch denkt Erika dat er nog heel wat onderzoek gaat zitten in de nieuwe techniek. ‘Het is een goed idee, maar we hebben meer tijd en geld nodig’, zegt ze beslist. ‘Het maken van nanowires is een hot topic; we zijn niet de enige groep die ermee bezig is. Ik denk dat het echte gebruik van selfassembly-technieken voor nanowires toch nog wel enkele jaren op zich laat wachten, maar geen decennia meer.’

Smeermiddel

Eiser doet ook onderzoek naar biopolymeren. ‘Wat olie in een auto doet om hem goed te laten lopen, doen biopolymeren in het lichaam. Het is het smeermiddel van de gewrichten, waardoor je zonder pijn kunt lopen’, licht Eiser toe. ‘Het zijn hele eenvoudige lange polymeerketens die deels zijn geladen. Gelijke ladingen stoten elkaar weer af, maar de lange ketens zijn in elkaar verstrikt en ze vormen zo een gel.’ Eiser laat opnieuw een potje gel zien. ‘Een soortgelijke gel zorgt voor het soepel glijden van de gewrichten, maar vormt ook een beschermend kussen zodat als je beweegt je kraakbeen niet tegen elkaar komt.’ Het blijkt dat bij oudere mensen de polymeerketens vaak korter zijn. Hierdoor werkt de gel minder goed als smeermiddel. In samenwerking met de Vrije Universiteit (VU) en de afdeling reumatologie van het AMC onderzoekt Eiser of het mogelijk is het natuurlijke smeermiddel te vervangen door synthetisch materiaal.

Foto: Bob Bronshoff

Chocoladesnippers

Naast onderzoek doen geeft Eiser met veel plezier college. ‘Door iets uit te leggen aan studenten leer je zelf ook steeds meer. Zij dragen nieuwe ideeën aan of hebben een andere invalshoek. Als ik thuis tijdens het koken iets grappigs zie gebeuren, dan gebruik ik dat als voorbeeld in mijn colleges. Zo was ik op een droge dag chocolade aan het raspen boven een plastic kom. Ik bewoog de kom een heel klein beetje en de chocoladesnippers dansten heftig heen en weer. Zo zie je hoe sterk lading is. Dit “experiment” gebruik ik tijdens colleges om uit te leggen waarom deeltjes in een complexe vloeistof elkaar afstoten.’

Dit artikel is een publicatie van Universiteit van Amsterdam (UvA).
© Universiteit van Amsterdam (UvA), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 27 maart 2007

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.