Hoe kun je de energie van de willekeurige botsingen tussen moleculen, bekend als de Brownse beweging, op een nuttige manier gebruiken? Met een zogenoemde Brownse ratel, een idee dat stamt uit 1912. Wijnand Germs van de Technische Universiteit Eindhoven promoveerde 16 januari op een elektronische variant van de ratel. Daarmee kan hij microscopische deeltjes op grootte scheiden. Nuttig voor bijvoorbeeld medische zelftesters.
De Brownse ratel van Smoluchowski. Een schoepenrad (rechts) is via een as verbonden met een ratel, die ervoor zorgt dat het rad maar één kant op kan draaien. Vergroot de afbeelding voor meer uitleg
TU EindhovenDeeltjes in een vloeistof worden voortdurend heen en weer geduwd door botsingen met de moleculen uit die vloeistof. Dat verschijnsel wordt de Brownse beweging genoemd. De Poolse natuurkundige Marian Smoluchowski ontwierp in 1912 een gedachte-experiment waarmee je de energie uit die botsingen kunt gebruiken om iets in beweging te zetten.
Deze zogenoemde ‘Brownse ratel’ was echter in strijd met de wetten van de thermodynamica, want het suggereerde dat er energie gehaald kan worden uit een systeem dat volledig in evenwicht is. De Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman bedacht vijftig jaar later een cruciale aanpassing, waardoor je de ratel écht kunt laten werken.
De oplossing van Feynman was om het systeem uit zijn evenwicht te halen, bijvoorbeeld door het schoepenrad in een ruimte met een hogere temperatuur te plaatsen. De tweede wet van de thermodynamica wordt dan niet meer geschonden als het rad begint te draaien.
Elektronische ratel
Sinds een jaar of twintig bestaat de Brownse ratel niet alleen op papier, maar zijn veel varianten ervan ook echt gemaakt. Op steeds meer terreinen blijkt deze ‘wetenschappelijke rariteit’ een nuttig instrument. Wijnand Germs van de onderzoeksgroep Molecular Materials and Nanosystems van de Technische Universiteit Eindhoven richtte zich in zijn promotieonderzoek op een Brownse ratel die 300 en 500 nanometer grootte bolletjes van polystyreen (waarvan ook piepschuim is gemaakt) kan laten bewegen.
Hier wordt in drie stappen duidelijk wat er gebeurt in de Brownse ratel van Germs. Vergroot de afbeelding voor uitleg.
TU EindhovenHeuvellandschap
Zijn ratel omvat een smal waterkanaaltje waarin de bolletjes zich bevinden. Onder het kanaal zijn elektroden aangebracht die een soort elektronisch heuvellandschap creëren.
Als Germs de elektrische spanning uitzet, verspreiden de bolletjes zich door de botsingen met watermoleculen (Brownse beweging) in beide richtingen van het kanaal. Als hij vervolgens de spanning weer aanzet, worden de bolletjes in de dalen gevangen.
Alleen is het heuvellandschap asymmetrisch, waardoor meer bolletjes in de ene richting gevangen worden dan in de andere. Netto zijn de bolletjes dan bewogen.
Medische zelftesters
Uit het onderzoek van Germs bleek dat de grootte van de bolletjes bepaalt hoe sterk deze beweging is. Dit type ratel kan daardoor ingezet worden om bolletjes – of moleculen in het algemeen – te scheiden op grootte.
Dat kan weer van toepassing zijn in de momenteel in ontwikkeling zijnde medische zelftesters (lab-on-a-chip) waarin bloed, speeksel of urine in dunne microkanaaltjes wordt geanalyseerd. Maar ook bij de productie van nanodeeltjes is scheiden op grootte van belang.