- Onderzoek
- 10/01/2013
Browns bewogen bolletjes
Met slim vormgegeven elektroden kun je op een bijzonder energiezuinige manier elektronen voortstuwen, zo toonden onderzoekers van Molecular Materials and Nanosystems (M2N) al aan. Promovendus Wijnand Germs van M2N onderzocht dit principe van de ‘elektronische ratel’ om plastic nanobolletjes op grootte te kunnen scheiden. Dat kan handig zijn voor in medische zelftesters.
Toen Robert Brown in 1827 door zijn microscoop naar stuifmeelkorrels tuurde, zag de Schotse plantkundige onverwachte bewegingen; kleine deeltjes uit de stuifmeelkorrels bleken willekeurig door het water te bewegen, alsof ze door onzichtbare krachten werden voortgeduwd. Deze ‘brownse’ beweging ontstaat doordat de deeltjes voortdurend worden aangestoten door watermoleculen, zo bleek later. In 1905 toonde Albert Einstein zelfs aan dat je aan de hand van de brownse beweging uitspraken kunt doen over grootte, massa en aantal van deze waterdeeltjes, en zorgde daarmee voor een indirect bewijs van het bestaan van moleculen.
Wie de energieke brownse beweging voor zich ziet, bekruipt het gevoel dat hier wellicht iets te halen valt: zou je geen energie kunnen opwekken met een soort schoepenrad dat wordt aangedreven door ‘browns’ bewegende deeltjes? Als je dat rad zou uitrusten met een ratelsysteem, zodat hij slechts een kant op kan draaien, dan zou je er arbeid mee kunnen verrichten. Die mogelijkheid van een ‘brownse ratel’ druist echter in tegen de tweede hoofdwet van de thermodynamica: je kunt geen energie onttrekken uit een systeem in thermodynamisch evenwicht - de uitdrukking ‘there is no such thing as a free lunch’ gaat niet alleen op in de economie.
Het blijkt dus principieel onmogelijk om een werkende ratel te bouwen die zo klein is dat je hem met de brownse beweging kunt aandrijven; om de tweede hoofdwet kun je helaas niet heen. Maar dat betekent niet dat de brownse beweging volstrekt nutteloos is, vertelt promovendus Wijnand Germs. “Als je een systeem uit evenwicht brengt door energie toe te voegen, kun je de brownse beweging wel degelijk benutten in een soort ratelsysteem.”
Germs onderzocht een methode om kleine plastic bolletjes op grootte te scheiden op basis van de brownse beweging. Zo’n scheidingsmethode kan van pas komen in zogenaamde labs-on-a-chip: apparaatjes waarmee je bloed, speeksel of urine snel ter plekke kunt analyseren. Een bekend voorbeeld is de prikker waarmee je je bloedsuikergehalte kunt meten. “Om specifieke eiwitten te meten met zo’n lab-on-a-chip, kun je piepkleine plastic bolletjes coaten met antistoffen. De eiwitten waarnaar je op zoek bent, blijven hieraan plakken. Het scheiden van deze bolletjes met verschillende eiwitten is echter niet eenvoudig.”
Een oplossing kan zijn om bolletjes van verschillende grootte te gebruiken. Hoe kleiner de bolletjes, hoe sneller hun brownse beweging - kleinere bolletjes ondervinden nu eenmaal meer invloed van de botsende watermoleculen. Als je de brownse beweging in een bepaalde richting kunt dwingen, zullen de kleinere bolletjes zich na verloop van tijd losmaken van de grotere - zoals de goede klimmers in de Tour de France zich bergop losmaken uit het peloton. “Op grootte selecteren van nanodeeltjes is ook voor andere toepassingen van belang”, benadrukt Germs. “De eigenschappen van deze deeltjes hangen namelijk af van hun grootte.”
In een lab-on-a-chip bevinden de plastic bolletjes zich in een microkanaaltje met vloeistof: ze kunnen dus sowieso al slechts twee kanten op. Als je de bolletjes nu ook nog een elektrische lading meegeeft, zo was de gedachte, dan kun je ze met elektrische velden manipuleren. “In principe kun je de elektrisch geladen bolletjes gewoon met een elektrisch veld in een bepaalde richting trekken; ook dan gaan de kleine deeltjes sneller”, zegt Germs, “Maar daarvoor heb je flinke spanningen nodig op een heel klein oppervlak. Dat is gewoon niet handig.”
Het kan echter ook anders: door vingervormige elektroden onder het microkanaaltje te leggen, maakte Germs een soort elektronische ratel. “Met een kleine spanning van zo’n honderd millivolt creëer je een asymmetrische potentiaal. Dat kun je je voorstellen als een periodieke rij heuveltjes met in een van de dalen een stel knikkers (zie afbeelding). Als we deze heuvels tijdelijk plat maken door de spanning op de elektroden uit te schakelen, zullen de deeltjes zich door de brownse beweging in alle richtingen verspreiden. Als we na verloop van tijd de spanning weer aanzetten, zorgt de asymmetrie van de dalen ervoor dat er meer deeltjes rechts gevangen worden dan links.” Zo realiseert de elektronische ratel dus een netto verplaatsing, waarbij de kleinere bolletjes verder komen dan de grotere. Na voldoende vaak aan- en uitzetten van de spanning, hebben (bijna) alle kleine bolletjes zich losgemaakt van de grote en kunnen ze afzonderlijk uit het kanaal worden getrokken.
Germs onderzocht bolletjes met diameters van 300 en 500 nanometer. Door een pauze van ongeveer een seconde te kiezen tussen het aanschakelen van het elektrische veld, zou je deze bolletjes voor 94% van elkaar kunnen scheiden, zo concludeert hij. Niet slecht, maar ook niet goed genoeg - dat proces duurt namelijk ongeveer een half uur. “Het scheidingsproces is eigenlijk nog te traag; voor een paar procent verbetering heb je nog veel meer tijd nodig. Maar dat komt ook doordat ik grotere bolletjes heb gebruikt dan in de praktijk, omdat ik ze onder de microscoop wilde kunnen volgen. We hebben een model gemaakt dat beschrijft wat er precies gebeurt en daaruit blijkt dat je uitkomt op realistische tijdschalen als je het systeem een factor tien kleiner maakt. Dat is zeker haalbaar. Het microkanaal wordt dan alleen wel te klein om grote hoeveelheden nanobolletjes te scheiden.”
Een andere belangrijke conclusie is dat de plastic bolletjes eigenlijk helemaal niet elektrisch geladen hoeven te zijn. “De voornaamste kracht op de bolletjes blijkt te ontstaan door het verschil in polariseerbaarheid tussen de bolletjes en de watermoleculen. Dat blijkt uit het feit dat de bolletjes niet naar de elektroden toe worden getrokken, maar dat ze er juist tussenin blijven hangen.” Onder invloed van de watermoleculen veranderen de bolletjes in elektrische dipolen: de ene kant raakt negatief geladen, en de andere positief. Hierdoor ondervinden de bolletjes een kracht van de elektroden, zonder dat er sprake is van een netto elektrische lading. Germs: “Dat kan praktisch zijn, omdat je geen elektrische lading hoeft aan te brengen op de bolletjes.”
Het principe van een brownse ratel is volgens Germs ooit gebruikt met DNA, maar was daarna niet verder onderzocht. In de groep waarin hij zijn onderzoek uitvoerde, M2N, wordt met behulp van de vingerelektroden gekeken naar het gedrag van elektronen in organische halfgeleiders, voornamelijk met het oog op toepassingen in zonnecellen en organische leds. “Dit onderzoek valt enigszins buiten de focus van de groep, dus ze zullen er hier waarschijnlijk niet mee verder gaan”, zegt hij. “Werken met elektrische velden in vloeistoffen is ook een vakgebied op zich. Maar ik verwacht dat iemand uit de microfluïdica dit nog wel op zal pakken.”
Wijnand Germs heeft zich tijdens zijn promotie niet alleen met nanobolletjes beziggehouden, maar werkte ook mee aan het manipuleren van elektronen met elektronische ratels. Over dit onderzoek is in Cursor al eerder een artikel verschenen.
Discussie