ENGINEERINGNET.BE - Blauwe morphovlinders danken hun levendige kleur aan de interne structuur van hun vleugels, in plaats van aan pigment.
De ordening van deeltjes op microscopische schaal zorgt dat licht op zo’n manier wordt weerkaatst dat de vlinders helderblauw kleuren en dat die kleur vanuit elke hoek hetzelfde blijft.
Dat principe fascineert promovendus Jesse Bückmann van UUtrecht. Hoe bepaalt die ordening van deeltjes op micro-niveau de eigenschappen van een materiaal? Wat gebeurt er als je die ordening iets verandert?
Bückmann en zijn collega’s onderzochten dit met fotonische supradeeltjes: microscopische bollen opgebouwd uit duizenden kleinere silicabolletjes die samen een kristalrooster vormen, en – net zoals bij de blauwe morphovlinder – dezelfde hoekonafhankelijke kleur vertonen.
Die minikristallen maken ze zelf, in een van de labs van het Ornsteingebouw van UUtrecht. “Je hoopt altijd dat ze goed gelukt zijn, maar dat weet je pas wanneer je ze onder de microscoop gaat bekijken”, aldus Bückmann.
Tot nu toe werden supradeeltjes vaak bekeken met scanning-elektronenmicroscopie. Daarmee zie je haarscherp hoe de buitenkant eruitziet, maar je kan er niet mee naar de binnenkant van minikristallen kijken. Bückmann: “De interessante materiaaleigenschappen ontstaan vaak door de structuur van de binnenkant. Daar heb je andere microscopietechnieken voor nodig.”
Het team gebruikte een combinatie van 3D-confocale microscopie en STED-microscopie. Zo werd de resolutie zo'n vier keer verbeterd ten opzichte van conventionele confocale microscopie.
Dat is van groot belang voor de uitkomst: de onderzochte deeltjes zijn kleiner dan 500 nanometer en dus bijna even groot als de golflengte van zichtbaar licht. Alleen met deze verhoogde resolutie kunnen individuele deeltjes in 3D goed in beeld worden gebracht.
Hoogleraar Alfons van Blaaderen van UUtrecht ontwikkelde een methode om fluorescente kernen in te bouwen in de supradeeltjes. Met die techniek kon Bückmann individuele bolletjes lokaliseren en hun exacte coördinaten bepalen.
Vervolgens werden met een machine learning model diverse kristalklassen onderscheiden, waarbij de bolletjes steeds net anders op elkaar gepakt zijn.
Deze methode is breed toepasbaar op andere colloïdale systemen. Fotonische supradeeltjes zouden bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden als duurzamer alternatief voor verf, waarbij de kleur langer behouden blijft.
Het team werkt aan manieren om de structuren stabieler te maken, zodat ze makkelijker toegepast kunnen worden voor dit soort doeleinden.
Op de foto's boven: met scanning elektronenmicroscopie kun je goed zien hoe een supradeeltje er aan de buitenkant uitziet (links), maar met confocale microscopie kun je ook de binnenkant bekijken (rechts).
