En timelapse med optiska mikroskopibilder av tillväxten av en triangulär BaCO3-kiseldioxid nanokomposit. Med hjälp av ett statiskt triangulärt UV-ljusmönster (bilden till vänster) kontrollerade forskarna konturen av nanokompositen i form av en triangel. Eftersom byggstenarna genereras i ljuset följer tillväxten av nanokompositen ljusmönstret. Bilden till höger är tagen med ett elektronmikroskop. Kredit:Bistervels et al., AMOLF
Ph.D. student Marloes Bistervels från forskargruppen Self-Organizing Matter vid AMOLF har lyckats använda ljus för att mycket exakt styra bildningen av nanokompositer i form av koraller och vaser. Genom att belysa en lösning av rätt ingredienser med UV-ljus kan hon styra var, när och vilka strukturer som uppstår på mikrometerskalan. Idag publicerade hon sina resultat i den vetenskapliga tidskriften Advanced Materials .
Under flera år har gruppen producerat vackra kristallstrukturer i nanoskala som sträcker sig från koraller och vaser till helixar. Dessa strukturer bildas spontant från olika kemikalier i en process som kallas självmontering. Deras form beror på mängden och typen av ämnen som blandas ihop. Forskningen syftar till att förstå och kontrollera processen.
Det har varit viss framgång i det avseendet. Forskarna kan till exempel välja om de vill producera en korall eller vas, men inte var eller när tillväxten börjar. "Processen innehåller fortfarande en form av kaos. Det förblir en spontan process som vi skulle vilja få mer kontroll över", säger gruppledaren Wim Noorduin. Bistervels har nu visat att ljus är mycket lämpligt för att uppnå detta. Med en smal stråle av UV-ljus kan hon mycket exakt och selektivt påverka en kemisk reaktion på mikrometerskalan.
Växla för kemisk reaktion
De fluorescerande strukturerna som forskarna producerar uppstår som ett resultat av en enkel kemisk reaktion. De är sammansatta av två ämnen:bariumkarbonat och kisel. Så fort det bildas bariumkarbonatkristaller i lösningen går kislet med och fälls ut tillsammans med kristallerna, vilket ger upphov till de ovanliga formerna. En liten bit CO2 gas i lösningen startar denna process. Om man kunde säkerställa att CO2 uppstår vid den exakta plats och tidpunkt som önskas, skulle detta resultera i en på/av-brytare för den kemiska reaktionen.
Vi har nu den switchen. Genom att belysa lösningen med en UV-lampa (liknande den i en solsäng) bryts en av kemikalierna i lösningen ner och bildar CO2 på exakt den plats där ljuset lyser.
En optisk mikrofotografi av en flera millimeter lång BaCO3-kiseldioxid nanokomposit. Nanokompositen odlas med hjälp av ett dynamiskt UV-ljusmönster. Genom att flytta UV-ljusmönstret med rätt hastighet framför tillväxtfronten, där byggstenarna genereras, kan forskarna styra tillväxtriktningen för nanokristaller. Det tog 47 timmar att odla denna millimeter långa rad av nanokristaller. Kredit:Bistervels et al., AMOLF
Unikt mikroskop
Bistervels såg snabbt att hennes idé fungerade, men att standardmikroskopet hon ville använda för att synliggöra de fluorescerande strukturerna inte fungerade bra i kombination med UV-lampan. Hon byggde därför ett speciellt mikroskop tillsammans med teknikerna Marko Kamp och Hinco Schoenmaker. Med detta mikroskop är det möjligt att styra UV-ljuset mycket exakt, även på distans hemifrån. Man kan omedelbart se kristallerna som bildas genom mikroskopet och vid behov justera självmonteringsprocessen. Fred Brouwer, professor i fotokemi vid universitetet i Amsterdam, hjälpte forskarna med sin kunskap om ljus och kemiska reaktioner. "Tack vare dessa unika samarbeten kunde vi kombinera styrkorna hos kemister och fysiker. Jag har lärt mig mycket av detta", säger Bistervels.
Bistervels visade att man med detta tillvägagångssätt kan utöva en avsevärd kontroll över de strukturer som bildas. Hon konstruerade en helix och en korall nära varandra, helt enkelt genom att flytta ljusstrålen något och göra en mindre justering av den kemiska reaktionen. Vidare visade hon att ett mycket stort antal kristaller kan produceras bredvid varandra i ett mönster. "De här experimenten är inte triviala", säger hon. "Du behöver olika förutsättningar och en mångfacetterad kontroll över tid och plats."
Det mest märkliga experimentet var att dra en gräns, konstaterar forskarna. Även om det kanske inte verkar vara något spektakulärt, säger Bistervels:"Detta visar hur mycket kontroll vi har. Att tämja riktningen i vilken kristallerna växer är en fantastisk prestation. Du styr en process på nanoskala och ser resultatet med blotta ögat. "
Kontrollera biomineralisering
Strukturerna är mer än bara en syn att se. Genom att lära sig hur de kan använda ljus för att styra utvecklingen av strukturerna har forskarna skaffat sig viktig kunskap om självmontering. "Vi kan tillämpa metoderna för att manipulera lokala kemiska reaktioner på liknande självmonterande system. Dessutom ser vi möjligheter att använda dessa nya metoder för att få en bättre förståelse för biomineralisering i naturen, som t.ex. benbildning", säger Noorduin.
I ett annat projekt har gruppen Self-Organizing Matter lyckats omvandla kristallerna till halvledare. Dessa är viktiga material för solceller, lysdioder och datorchips. Noorduin förklarar:"Om vi kan producera halvledare av vilken form som helst utan behov av ett dyrt och komplext renrum, så skulle det erbjuda intressanta möjligheter. Ett exempel är tillverkning av elektroniska komponenter med hjälp av självmontering. Vi undersöker därför för närvarande hur vi kan kontrollera tredimensionella strukturer, så att vi sedan kan producera mönster." + Utforska vidare
