Een platform van goud onthult de krachten van de onzichtbare lijm van de natuur

Wanneer stof aan een oppervlak blijft plakken of een hagedis op een plafond zit, komt dat door ‘de onzichtbare lijm van de natuur’. En er is 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 is een platform gecreëerd waarop de krachten door middel van kleuren zichtbaar zijn.

In het laboratorium van Chalmers University in Zweden toont promovenda Michaela Hošková een glazen container gevuld met miljoenen micrometergrote goudvlokken in een zoutoplossing. Met een pipet neemt ze een druppel van de oplossing op en plaatst deze op een goudgecoate glasplaat in een optische microscoop. Wat er gebeurt, is dat de goudvlokken in de zoutoplossing direct worden aangetrokken door het substraat, maar nanometergrote optische ruimtes tussen hen en het goudsubstraat achterlaten. De holtes die in de vloeistof ontstaan, fungeren als resonatoren waarin licht heen en weer kaatst en kleuren weergeeft. Wanneer de halogeenlamp van de microscoop het platform belicht en een spectrometer de golflengtes scheidt, kunnen de verschillende lichtkleuren worden geïdentificeerd. Op de monitor, die is aangesloten op de laboratoriumapparatuur, is nu te zien hoe vele vlokken bewegen en veranderen in kleuren zoals rood en groen tegen een goudgele achtergrond.

Licht gevangen in kleine holtes

“Wat we zien, is hoe fundamentele krachten in de natuur met elkaar interacteren. Via deze kleine holtes kunnen we nu de krachten meten en bestuderen die we ‘natuurlijke lijm’ noemen – wat objecten op de kleinste schaal aan elkaar bindt. We hoeven niet in te grijpen, we observeren gewoon de natuurlijke bewegingen van de vlokken”, zegt Hošková, eerste auteur van het wetenschappelijke artikel in het tijdschrift PNAS waarin het platform wordt gepresenteerd.

Door het licht dat in de holtes wordt opgevangen, kunnen de onderzoekers het delicate evenwicht tussen twee krachten bestuderen: één die de kleine objecten naar elkaar toe trekt en één die ze uit elkaar houdt. De verbindende kracht, het Casimireffect, zorgt ervoor dat de goudvlokken zich aan elkaar en het substraat hechten. De tweede, elektrostatische kracht, ontstaat in de zoutoplossing en voorkomt dat de vlokken volledig aan het substraat hechten. Wanneer deze twee krachten elkaar in evenwicht houden, staat dit bekend als een zelfassemblageproces en het resultaat zijn de holtes die nieuwe onderzoeksmogelijkheden bieden.

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

Goudvlokken worden zwevende sensoren

Het platform is een doorontwikkeling van jarenlang werk in de onderzoeksgroep van professor Timur Shegai aan de faculteit Natuurkunde. Na de ontdekking vier jaar geleden dat een paar goudvlokken een zelfgeassembleerde resonator vormt, hebben onderzoekers nu een methode ontwikkeld om verschillende fundamentele krachten te bestuderen.

De onderzoekers geloven dat het platform, waarin de zelfgeassembleerde goudvlokken als zwevende sensoren fungeren, nuttig zou kunnen zijn in veel verschillende wetenschappelijke vakgebieden, zoals natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde.

“De methode stelt ons in staat de lading van individuele deeltjes en de krachten die tussen hen werken te bestuderen. Andere methoden om deze krachten te bestuderen vereisen vaak geavanceerde instrumenten die geen informatie tot op deeltjesniveau kunnen bieden”, aldus Shegai.

Kennis over alles

Een andere manier om het platform te gebruiken, is om beter te begrijpen hoe individuele deeltjes in vloeistoffen met elkaar interacteren en stabiel blijven of de neiging hebben om aan elkaar te kleven. Het kan nieuwe inzichten opleveren in de routes van medicijnen door het lichaam, of hoe je effectieve biosensoren of waterfilters kunt maken. Maar het is ook belangrijk voor alledaagse producten die je niet wilt laten klonteren, zoals cosmetica.