Annick De Backer (EMAT, Universiteit Antwerpen) is er in het kader van haar doctoraatsonderzoek in geslaagd om individuele atomen te tellen in nanodeeltjes die bestaan uit ruim meer dan 100.000 atomen. Atomen tellen kan leiden tot de ontwikkeling van materialen met nieuwe revolutionaire eigenschappen.

Denk even mee, tien jaar geleden had nog niemand een smartphone op zak, vandaag bijna iedereen. Zonder nanotechnologie zag ons leven er helemaal anders uit. Buigzame zonnecellen en schermen, snellere computers, betere batterijen, aangename LED-verlichting en revolutionaire geneeskundige therapieën,... Het is maar een greep uit de toepassingen die mogelijk zullen worden door nanotechnologie en nanodeeltjes in het bijzonder. De resultaten uit het doctoraatsonderzoek van Annick De Backer zullen substantieel bijdragen tot de ontwikkeling van deze revolutionair nieuwe materialen. De onderzoekster slaagde erin om individuele atomen te tellen in nanodeeltjes die bestaan uit ruim meer dan 100.000 atomen. Deze minuscule deeltjes zijn 100.000 keer kleiner dan een speldenknop en hebben verrassende eigenschappen vanwege hun kleine afmetingen. Hun uiterlijk, of beter gezegd, de exacte driedimensionale structuur van het nanodeeltje, bepaalt de unieke eigenschappen van het materiaal.

Zonder het te beseffen gebruikten middeleeuwse glasmakers al de verwonderlijke eigenschappen van nanodeeltjes om glas-in-loodramen te kleuren. Zo gebruikten ze goudnanodeeltjes om een rode kleur te verkrijgen. Wat ze niet wisten is dat de uiteindelijke kleur afhankelijk is van de grootte en vorm van die nanodeeltjes. Als de glasmakers de mogelijkheid hadden gehad om de grootte en vorm van nanodeeltjes te bekijken, dan konden zij allicht veel makkelijker op voorhand bepalen welke kleur ze zouden verkrijgen. Behalve een verrassende kleur hebben deze kleine deeltjes nog andere interessante eigenschappen. Goud ‘in het groot’ heeft de typische goudkleur en reageert nergens mee, waardoor sieraden mooi blijven. De goudnanodeeltjes zullen wel reactief zijn en kunnen daarom chemische reacties versnellen, bijvoorbeeld bij het afbreken van schadelijke, milieuverontreinigende gassen. Het is pas door de kennis van de vorm en grootte van de nanodeeltjes dat wetenschappers dit soort toepassingen kunnen ontwikkelen.

Pingpongballetjes
Om de grootte en vorm van nanodeeltjes te onderzoeken, kijken wetenschappers naar de atomen met een elektronenmicroscoop. Dat is een prestatie die vergelijkbaar is met het waarnemen van pingpongballetjes op de maan. Om de atomen te kunnen zien, is het belangrijk dat de elektronenmicroscoop extreem stabiel is. De microscoop zit daarom in een afgeschermde doos, in een houten constructie, in een overkoepelend gebouw. Toch geven materialen hun geheimen nog niet helemaal prijs op een foto gemaakt met de elektronenmicroscoop. De foto is niet meer dan een vlakke afbeelding van het driedimensionale nanodeeltje. De precieze grootte en vorm van het nanodeeltje blijven hierdoor vaak verborgen.

Blokkentorens
Toch wisten de onderzoekers deze hindernis te nemen. Je kunt het vergelijken met kijken naar de bovenkant van een aantal blokkentorens naast elkaar wanneer je een nanodeeltje draait zodat alle atomen precies achter elkaar zitten. Op het eerste gezicht lijkt het dan onmogelijk om het aantal blokken of het aantal atomen in elke toren te tellen. Nochtans zal een hogere toren intenser zijn door de microscoop op een bepaalde manier te gebruiken. Met behulp van statistische modellen en beeldverwerkingstechnieken, lukt het daarna wel om het aantal atomen te tellen in elke toren.

Tijdens haar doctoraatsonderzoek binnen de onderzoeksgroep EMAT aan de Universiteit Antwerpen, heeft Annick De Backer verschillende grenzen verlegd om atomen te tellen in nanodeeltjes. “Aanvankelijk was het enkel mogelijk om atomen te tellen in kleine nanodeeltjes, bestaande uit een honderdtal atomen. Ik standaardiseerde en optimaliseerde de statistische beeldverwerkingstechnieken zodat het nu mogelijk is om atomen te tellen tot op enkele atomen nauwkeurig in grotere nanodeeltjes, bestaande uit ruim meer dan 100.000 atomen”, licht de onderzoekster toe. Als resultaat van dit onderzoek, heeft Annick De Backer een softwareprogramma gelanceerd dat onderzoekers van andere universiteiten toelaat om deze methodes eveneens toe te passen. Dit toont aan dat atomen tellen meer is dan alleen maar fundamenteel onderzoek. De onderzoekster wil andere wetenschappers de tools geven zodat ze hun materialen beter kunnen begrijpen en verbeteren. 

Onderbelichte foto
Geen nieuwe ontdekking zonder nieuwe uitdagingen, de meeste wetenschappers zullen hiermee instemmen. Ook Annick De Backer stelde dit vast: “Om het aantal atomen te kunnen tellen moeten de nanodeeltjes stabiel zijn in de elektronenmicroscoop. De kleine deeltjes beginnen vaak gemakkelijk te bewegen en draaien. We kunnen dit vermijden, maar hierdoor wordt atomen tellen een veel grotere uitdaging. De intensiteit in de afbeelding is dan veel lager, vergelijkbaar met een foto waarin details moeilijker te onderscheiden zijn als de foto onderbelicht is.” De onderzoekster zou het aantal atomen kunnen tellen uit een ‘onderbelichte’ foto, maar ze zal een grotere foutenmarge hebben in het aantal getelde atomen. “Om deze beperking te omzeilen heb ik een statistische techniek ontwikkeld waarmee ik op voorhand kan bepalen hoe nauwkeurig ik het aantal atomen kan tellen”, zegt Annick De Backer. “Door deze nauwkeurigheid voor verschillende beeldvormingstechnieken van de elektronenmicroscoop te vergelijken, kan ik de techniek kiezen waarmee ik de minste fouten maak.”

Puzzelen

Het aantal atomen tellen in nanodeeltjes is een belangrijke schakel om innovatieve toepassingen te ontwikkelen. Toch moeten de onderzoekers nog verder puzzelen met het aantal getelde atomen om de precieze grootte en vorm van de nanodeeltjes in kaart te brengen. Hiervoor kunnen ze het nanodeeltje langs verschillende kanten bekijken. Een wiskundig algoritme gebruikt het aantal getelde atomen uit de verschillende afbeeldingen, lost de atomaire puzzel op en vormt een driedimensionaal beeld van het nanodeeltje. Sinds kort kunnen onderzoekers met een computersimulatie de grootte en vorm ook berekenen uit het aantal getelde atomen aan de hand van één afbeelding. Hiermee boekten de wetenschappers cruciale vooruitgang omdat het niet altijd mogelijk is om meerdere afbeeldingen te nemen. Deze nieuwe mogelijkheden om nanodeeltjes te bestuderen zullen substantieel bijdragen tot de ontwikkeling van materialen met revolutionair nieuwe eigenschappen. U kijkt toch mee uit naar de smartphone met onbreekbaar flexibel scherm die u niet meer dagelijks moet opladen?

Artikel door Annick De Backer

Annick De Backer volgde een training in populairwetenschappelijk schrijven door Ann De Ron - www.fishgrowfeet.be