Een platform van goud geeft kleur aan de fundamentele krachten van de natuur

Wanneer stof aan een oppervlak blijft plakken of een hagedis op een plafond zit, is dat te wijten aan ‘de onzichtbare lijm van de natuur’. Onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden hebben nu een snelle en gemakkelijke manier ontdekt om de verborgen krachten te bestuderen die de kleinste objecten in het universum met elkaar verbinden. Met behulp van goud, zout water en licht hebben ze een platform gecreëerd waarop de krachten door middel van kleuren zichtbaar zijn.

Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.

In het laboratorium van Chalmers toont promovendus Michaela Hošková een glazen container gevuld met miljoenen goudvlokken ter grootte van een micrometer in een zoutoplossing. Met behulp van een pipet pakt ze een druppel van de oplossing op en plaatst deze op een met goud bedekte glasplaat in een optische microscoop.

Wat er gebeurt, is dat de goudvlokken in de zoutoplossing onmiddellijk door het substraat worden aangetrokken, maar optische ruimtes van nanometergrootte tussen hen en het goudsubstraat achterlaten. De holtes die in de vloeistof ontstaan, fungeren als resonatoren waarin het licht heen en weer stuitert en kleuren weergeeft.

Wanneer de halogeenlamp van de microscoop het platform verlicht en een spectrometer de golflengten scheidt, kunnen de verschillende kleuren licht worden geïdentificeerd.

Op de monitor die is aangesloten op de laboratoriumapparatuur zijn nu veel vlokken te zien bewegen en veranderen in kleuren als rood en groen tegen de goudgele achtergrond.

Het bestuderen van ‘de lijm van de natuur’ met behulp van licht gevangen in kleine holtes

“Wat we zien is hoe fundamentele krachten in de natuur met elkaar interageren. Via deze kleine holtes kunnen we nu de krachten meten en bestuderen die we ‘de lijm van de natuur’ noemen – wat objecten op de kleinste schaal met elkaar verbindt. We hoeven niet in te grijpen in wat er gebeurt, we observeren alleen de natuurlijke bewegingen van de vlokken”, zegt Hošková, een doctoraatsstudent aan de afdeling natuurkunde van de Chalmers University of Technology en eerste auteur van het artikel.

Door het licht dat in de holtes wordt opgevangen, kunnen de onderzoekers het delicate evenwicht tussen twee krachten bestuderen: de ene trekt de kleine voorwerpen naar elkaar toe en de andere houdt ze uit elkaar. Door de verbindende kracht, het Casimir-effect, verbinden de goudvlokken zich met elkaar en met het substraat.

De tweede, elektrostatische kracht, ontstaat in de zoutoplossing en verhindert dat de vlokken volledig aan het substraat blijven kleven. Wanneer deze twee krachten elkaar in evenwicht houden, staat dit bekend als een zelfassemblageproces en het resultaat zijn de holtes die nieuwe onderzoeksmogelijkheden openen.

‘Krachten op nanoschaal beïnvloeden de manier waarop verschillende materialen of structuren worden geassembleerd, maar we begrijpen nog steeds niet volledig alle principes die deze complexe zelfassemblage bepalen. Als we ze volledig zouden begrijpen, zouden we zelfassemblage op nanoschaal kunnen leren beheersen. Tegelijkertijd kunnen we inzicht krijgen in hoe dezelfde principes de natuur op veel grotere schaal beheersen, zelfs hoe sterrenstelsels ontstaan’, zegt Hošková.

Goudvlokken worden drijvende sensoren

Het nieuwe platform van de Chalmers-onderzoekers is een verdere ontwikkeling van meerdere jaren werk in de onderzoeksgroep van professor Timur Shegai bij de afdeling Natuurkunde. Vanaf de ontdekking in 2021 dat een paar goudvlokken creëren een zelf-geassembleerde resonatorhebben onderzoekers nu een methode ontwikkeld om verschillende fundamentele krachten te bestuderen.

De onderzoekers denken dat het platform, waarin de zelf-geassembleerde goudvlokken als zwevende sensoren fungeren, nuttig zou kunnen zijn op veel verschillende wetenschappelijke gebieden, zoals natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde.

“Met deze methode kunnen we de lading van individuele deeltjes bestuderen en de krachten die daartussen werken. Andere methoden om deze krachten te bestuderen vereisen vaak geavanceerde instrumenten die geen informatie kunnen verschaffen tot op deeltjesniveau”, zegt onderzoeksleider Timur Shegai.

Kan nieuwe kennis bieden over alles, van medicijnen tot biosensoren

Een andere manier om het platform te gebruiken, wat belangrijk is voor de ontwikkeling van veel technologieën, is om beter inzicht te krijgen in de manier waarop individuele deeltjes in vloeistoffen op elkaar inwerken en ofwel stabiel blijven, ofwel de neiging hebben aan elkaar te blijven kleven.

Het kan nieuwe inzichten opleveren in de routes van medicijnen door het lichaam, of hoe effectieve biosensoren of waterfilters kunnen worden gemaakt. Maar ook voor alledaagse producten die je niet in elkaar wilt laten klonteren, zoals cosmetica, is het belangrijk.

“Het feit dat het platform ons in staat stelt fundamentele krachten en materiaaleigenschappen te bestuderen, toont zijn potentieel als een werkelijk veelbelovend onderzoeksplatform”, zegt Shegai.

In het laboratorium opent Hošková een doos met daarin een kant-en-klaar exemplaar van het platform. Ze tilt het op met een pincet en laat zien hoe gemakkelijk het in de microscoop kan worden geplaatst. Twee dunne glasplaten bevatten alles wat nodig is om de onzichtbare lijm van de natuur te bestuderen.

‘Wat ik het meest opwindend vind, is dat de meting zelf zo mooi en gemakkelijk is. De methode is eenvoudig en snel, alleen gebaseerd op de beweging van goudvlokken en de interactie tussen licht en materie’, zegt Hošková, terwijl hij met de microscoop inzoomt op een goudvlok, waarvan de kleuren onmiddellijk de krachten die een rol spelen onthullen.

Hoe de onderzoekers ‘de onzichtbare lijm van de natuur’ bestuderen

Goudvlokken van ongeveer 10 micrometer groot worden in een bak gevuld met een zoutoplossing, dat wil zeggen water met vrije ionen, geplaatst. Wanneer een druppel van de oplossing op een met goud bedekt glassubstraat wordt geplaatst, worden de vlokken op natuurlijke wijze door het substraat aangetrokken en verschijnen er holten van nanometerformaat (100-200 nanometer).

Zelfassemblage ontstaat als gevolg van een delicaat evenwicht tussen twee krachten: de Casimirkracht, een direct meetbaar kwantumeffect dat ervoor zorgt dat objecten tot elkaar aangetrokken worden, en de elektrostatische kracht die ontstaat tussen geladen oppervlakken in een zoutoplossing.

Wanneer een eenvoudige halogeenlamp de kleine holtes verlicht, wordt het licht binnenin opgevangen alsof het in een val zit. Hierdoor kunnen de onderzoekers het licht nauwkeuriger bestuderen met behulp van een optische microscoop die is aangesloten op een spectrometer. De spectrometer scheidt de golflengten van het licht, zodat verschillende kleuren kunnen worden geïdentificeerd.

Door het zoutgehalte van de oplossing te variëren en te monitoren hoe de vlokken hun afstand tot het substraat veranderen, is het mogelijk de fundamentele krachten die een rol spelen te bestuderen en te meten. Om te voorkomen dat de zoutoplossing met de goudvlokken verdampt, worden de druppels goudvlokken en de zoutoplossing afgesloten en vervolgens afgedekt met een andere glasplaat.

Het platform is ontwikkeld in het Nanofabrication Laboratory van Chalmers, Myfab Chalmers, en in het Chalmers Materials Analysis Laboratory (CMAL).