Individuele lichtdeeltjes verraden hoe nanovloeistof vloeit

Beeld: Weergave van hoe het onderzoek moleculaire beweging in nano-ruimtes in kaart bracht. Credit: Titouan Veuillet / EPFL.

Aan nanowetenschap en de nanotechnologie wordt al jaren een grote toekomst toegedicht. Door materie op nanometerschaal (een nanometer is een miljardste van een meter) te manipuleren, kan die heel andere en bijzondere eigenschappen vertonen. Dat is ook bij nanovloeistoffen zo Dat zijn vloeistoffen die zich in zo’n kleine ruimtelijke omgeving bevinden dat nano-effecten de overhand krijgen. Neem bijvoorbeeld een rietje in een glas water. Door capillariteit klimmen de watermoleculen binnen het rietje een beetje naar boven, waardoor het water er iets hoger staat dan erbuiten. Als het rietje echter extreem dun zou zijn, hoogstens enkele tientallen nanometers breed, dan zou het water erin onbeperkt kunnen blijven stijgen en zou het glas zomaar kunnen leeglopen. De reden? De dubbele capillaire werking van de binnenwand van het rietje op de individuele watermoleculen, die aan beide kanten worden ‘omhooggetrokken’ langs de wand. Toepassingen daarvan zouden legio zijn, zoals pompen of waterzuiveringsinstallaties die geen aandrijving nodig hebben.

De ontwikkeling van zulke toepassingen staat en valt bij verder onderzoek naar nanovloeistoffen. En daarbij is het van cruciaal belang dat vorsers kunnen achterhalen wat er exact gebeurt in een nanovloeistof. Helaas is dat met conventionele beeldvormingstechnieken lastig, want de relevante schaal is kleiner dan het onderscheidend vermogen van de gebruikte lichtmicroscopen. Onderzoekers kunnen daarmee dus niet voldoende inzoomen op nanovloeistoffen.

Moleculair ‘kippengaas’

Maar via een omweg kunnen nanovloeistoffen alsnog in beeld worden gebracht, en kan de beweging van de individuele vloeistofpartikels toch worden gevolgd. Dat hebben Zwitserse onderzoekers aangetoond met een nanovloeistof nadat ze die in contact hadden gebracht met een vast materiaal bestaande uit boornitride – een verbinding tussen boor en stikstof. Boornitride is goed vergelijkbaar met grafeen, het bekende vlakke, moleculaire ‘kippengaas’ (door de zeshoekige structuur) bestaande uit zuiver koolstof. Ook bij dit zogeheten hexagonale boornitride zijn de atomen uitermate ordelijk geschikt in zeshoeken, met afwisselend boor- en stikstofatomen. En de mazen in het moleculaire gaas zijn klein genoeg om er een nanovloeistof op te laten liggen. En vloeien, want uit minuscule lichtflitsen die het geheel van nanovloeistof en boornitride-gaas afgaf konden de vorsers opmaken dat de vloeistof bewoog. Het onderzoek verscheen deze week in het vakblad Nature Materials.

De lichtflitsen zijn zo klein als ze maar kunnen zijn. Het gaat om individuele fotonen die vrijkomen wanneer de nanovloeistof langs ‘foutjes’ (defecten) in het boornitride-gaas vloeit. Zulke defecten kunnen ontbrekende boor- en stikstofatomen in de kristalstructuur van het vaste materiaal zijn. Telkens als een partikel van de nanovloeistof bij een defect komt, geeft het zijn locatie prijs. En de lichtflitsjes samen verraden hoe de nanovloeistof beweegt. De Zwitserse onderzoekers konden zo het hele traject volgen van de nanovloeistofpartikels, waarbij de voortgang werd gemeten in nanoseconden en nanometers.

Druk of stroom

Dat nanovloeistoffen nu toch enigszins in beeld kunnen worden gebracht en gevolgd in hun beweging, is een opsteker voor de onderzoekers in dit domein. ‘Dankzij de vooruitgang in materialenonderzoek hadden we al heel wat controle over de beweging en het gedrag van nanovloeistoffen’, zegt Aleksandra Radenovic, nanobiologe aan de Federale Polytechnische Hogeschool van Lausanne en coauteur van het onderzoek. ‘Maar wat er juist gebeurt binnenin de nanovloeistoffen, dat konden we niet zien. Tot nu dus.’

De vorsers willen hun onderzoek nu verderzetten met nanovloeistoffen die ze bewust manipuleren, bijvoorbeeld door ze onder druk te zetten of onder elektrische stroom. Om ze vervolgens in beeld te brengen, wellicht met behulp van hexagonaal boornitride. Aangezien ze biologen zijn, denken de onderzoekers zelf in de eerste plaats aan toepassingen in de microbiologie. Nanovloeistoffen spelen bijvoorbeeld een belangrijke rol in allerhande celprocessen, zoals het aanleveren van nutriënten of het afscheiden van afvalstoffen. Verbeterde kennis van welke nano-effecten daar spelen, en hoe, kan zo ook de celbiologie vooruithelpen.