Chemische reacties op de micrometerschaal zichtbaar gemaakt

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en New York University kunnen met behulp van ‘patchy particles’ modelmoleculen bouwen op de micrometerschaal.

Trefwoorden: #chemische reacties, #micrometerschaal, #Modelbouwset, #moleculen, #New York University, #UvA

Lees verder

research

( Foto: UvA - Laura Quarto )

ENGINEERINGNET.BE - Moleculen zijn zo klein dat ze zelfs met gewone microscopen niet zijn te zien. Dat maakt het bestuderen van moleculen en hun chemische reacties ingewikkeld: het beperkt onderzoekers tot het gebruik van indirecte observaties of computersimulaties.

Vandaar dat natuur- en scheikundigen van de Universiteit van Amsterdam en New York University zochten naar een manier om de eenvoudige visualisatie van modelbouwsets te combineren met de natuurkunde die een rol speelt op de sub-nanometerschaal van echte moleculen.

De wetenschappers slaagden erin om in de Amsterdamse laboratoria “moleculen” te bouwen van kleine plastic balletjes op de micrometerschaal, zogeheten colloïdale deeltes die geproduceerd werden in de labs in New York.

De deeltjes werden zo gemaakt dat ze elkaar alleen in bepaalde richtingen konden aantrekken, waarmee heel precies de hoeken konden worden nagebootst van echte chemische bindingen tussen atomen – hoeken die bepalen hoe atomen zich rangschikken tot moleculen.

De micrometer-deeltjes zijn klein genoeg om de karakteristieke bewegingen en trillingen na te bootsen die moleculen als gevolg van temperatuur ondervinden, maar zijn ook groot genoeg om onder een gewone microscoop zichtbaar te zijn.

Om bepaalde soorten atomen te imiteren, gebruikten de onderzoekers in Amsterdam technieken die de afgelopen jaren werden ontwikkeld om het oppervlak van de colloïdale deeltjes te voorzien van kleine aantrekkende gebiedjes waar de modelatomen kunnen ‘samenklikken’.

Het aantal en de configuratie van die gebiedjes bepaalt het soort atoom dat wordt gemodelleerd. Ook slaagden ze erin om de interacties tussen de aantrekkende gebiedjes zo in te stellen dat de atomen op precies dezelfde manier bindingen konden vormen en weer konden verbreken als echte atomen dat in scheikundige reacties doen.

Door de relatieve grootte van de modelmoleculen, 1000 keer groter dan echte atomen, konden de onderzoekers hun vormingsprocessen en interne bewegingen ‘live’ en in detail volgen. Zo konden ze verschijnselen zien waarvan alleen op basis van indirecte waarnemingen bekend was dat ze moesten voorkomen.

De modelbouwset kan inzicht leveren in de werking van geometrische katalysatoren op moleculaire reacties. Of maakt het ontwerpen van complexe nieuwe materialen mogelijk, rechtstreeks onder de microscoop, van kunstmatige weefsels voor onder meer medische toepassingen tot functionele nanostructuren met toepassingen in de technologie.