Wetenschappers zien schelp groeien

Eindhovense en Amerikaanse onderzoekers zien de vorming van schelpen in realtime op nanometerniveau dankzij een nieuwe vorm van elektronenmicroscopie. Hierdoor zagen ze voor het eerst hoe stukjes polymeer fungeren als ‘ionenspons’. Ze publiceerden hun vondst online in Nature Materials.

29 januari 2015

Schelpen zuigen met deze ionenspons de benodigde ionen uit het water aan en zorgen dat kristalvorming specifiek daar plaatsvindt – een experimentele bevestiging van een bijna dertig jaar oude theorie.

Het resultaat werpt niet alleen nieuw licht op de nog steeds grotendeels onbegrepen biologische kristalvorming in de natuur, het biedt ook nieuwe inzichten om industriële kristalvorming, waarmee bijvoorbeeld computerchips en zonnecellen worden gemaakt, efficiënter te sturen.

Biomineralisatie in de natuur, waarbij organismen mineralen groeien om bijvoorbeeld schelpen en tanden te vormen, gaat op een manier waar technologen alleen maar van kunnen dromen. De controle die we hebben over onze huidige industriële kristallisatieprocessen stelt in zekere zin weinig voor, vergeleken met de perfectie waarmee de natuur kristallen groeit en ordent. Al decennialang probeert de wetenschap daarom verwoed grip te krijgen op deze onnavolgbare chemie in de natuur.

Oude theorie

Eind jaren tachtig presenteerden Israëlische onderzoekers een theorie rond de eerste stappen bij de vorming van schelpen. Dit begint als calcium- en carbonaationen rondzweven in een oplossing, nog voordat ze aan elkaar hechten en kristalliseren tot het bekende harde materiaal: calciumcarbonaat. Volgens de Israëliërs verloopt dit hechtproces niet willekeurig, maar wordt dit gestuurd door de aanwezigheid van kleine pannenkoekvormige stukjes onoplosbaar biopolymeer.

Deze fungeren als ionenspons: ze trekken calciumionen aan, zodat deze zich juist hier groeperen. Vervolgens kunnen carbonaationen veel makkelijker hechten aan het calcium, zodat alleen hier, op de plaats van de sponzen, calciumcarbonaatkristallen vormen.

Ruim dertig jaar later is de technologie geavanceerd genoeg en bewijzen onderzoekers van TU/e, het Amerikaanse Lawrence Berkeley National Laboratory en Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) onder leiding van Nico Sommerdijk (TU/e) en Jim de Yoreo (PNNL) dat inderdaad zulke ionensponzen een rol spelen.

Met een nieuwe vorm van elektronenmicroscopie, waarbij een oplossing op de nanometer nauwkeurig, en in realtime, bekeken kan worden. “Een enorm verschil met de vorige standaard, waarbij je samples moest invriezen en dus alleen losse stappen in het proces kon bestuderen. In plaats van te kijken naar snapshots van de verschillende stappen kunnen we nu gewoon naar een film kijken”, aldus Sommerdijk.

Efficiëntere kristalvorming

In het experiment fungeerde het polymeer polystyreensulfonaat als ionenspons. De te bestuderen oplossing werd omsloten met dunne, doorzichtige membranen, zodat een soort aquarium ontstond. Met inlaatkleppen konden de chemici calcium- en carbonaationen naar wens naar binnen laten stromen.

In een experiment zonder het polymeer gebeurde er weinig spannends: slechts her en der vormden zich de gebruikelijke kleine kristalletjes. Maar mét het polymeer was duidelijk zichtbaar hoe het calcium voornamelijk hieraan adsorbeerde, waarna met het carbonaat erbij juist op deze plekken kristallen vormden, en bovendien vele malen sneller dan zonder het polymeer.

Beeld van een elektronenmicroscoop. De grijze vlekken zijn zogenoemde ionensponzen waarop zich snel kristallen van calciumcarbonaat kunnen vormen. De rode pijl geeft zo’n net gevormd kristal aan.
Nico Sommerdijk/TU/e

Kristallisatie wordt in veel technologische toepassingen gebruikt, bijvoorbeeld in de nanotechnologie of bij het maken van geneesmiddelen. “Om dan de kristallisatie op gang te brengen zorgt men simpel gezegd dat de oplosbaarheid slechter wordt”, zegt Sommerdijk. “Als ik bijvoorbeeld een warme suikeroplossing afkoel zal de suiker kristalliseren. Maar je weet nooit waar deze kristallen gaan groeien. Met zo’n spons kun je niet alleen controleren wáár ze gaan groeien maar ook hóe ze gaan groeien zodat je uiteindelijk niet alleen hun locatie maar ook bijvoorbeeld hun vorm veel beter kunt controleren.”

Bron:

Smeets P. et al., In situ TEM shows ion binding is key to directing CaCO3 nucleation in a biomimetic matrix, Nature Materials (26 januari 2015), DOI:10.1038/nmat4193

Dit artikel is een publicatie van Technische Universiteit Eindhoven (TU/e)