Fysici spelen met nanoblokjes

Datum: 27 oktober 2017

Inleiding: Wetenschappers van onder meer UAntwerpen haalden het toptijdschrift Science met de creatie van zogenaamde 'allotropen'.

Een internationaal team met wetenschappers van onder meer UAntwerpen lukte erin zogenaamde allotropen te creëren die niet in de natuur voorkomen. Het toptijdschrift Science bericht over die doorbraak, die tot de ontwikkeling van biosensoren kan leiden.

Diamant en grafiet zijn materialen met totaal verschillende eigenschappen, maar toch bestaan ze allebei uitsluitend uit koolstof, met als enige verschil de schikking van de atomen. Deze alternatieve verschijningsvormen van een chemisch element, zogenaamde allotropen, zijn soms zo verschillend dat het moeilijk te geloven is dat ze dezelfde chemische samenstelling hebben.

Een team van onderzoekers onder leiding van professor Rafal Klajn van het Israëlische Weizmann Instituut van Wetenschappen en professor Sara Bals van de Universiteit Antwerpen is erin geslaagd allotropen te creëren die niet in de natuur voorkomen. “Deze materialen verschillen niet op atomaire schaal, maar wel in hun nanostructuur, dus op een schaal van 10 à 100 keer groter dan de afmetingen van individuele atomen”, verduidelijkt professor Sara Bals van de onderzoeksgroep EMAT (Electron Microscopy for Material Sciences). “Zulke nanoallotropen – allotropen van nanomaterialen dus – kunnen zeer nuttig zijn bij de ontwikkeling van biosensoren en tal van andere industriële toepassingen.”

Goudpartikels

In een eerste stap vermengden de onderzoekers nanopartikels van goud met nanopartikels van ijzeroxide in een oplossing, waardoor die samen een kristalachtige film op de vloeistof vormden. In de tweede stap werd deze film blootgesteld aan een elektronenbundel en ondergedompeld in zuur om het ijzeroxide te verwijderen, zodat alleen een rooster van gouden nanodeeltjes overbleef.

De onderzoekers op de UAntwerpen maakten gebruik van elektronentomografie, een geavanceerde techniek om de 3D-structuur van de nanoallotropen zichtbaar te maken. “We stelden vast dat we verschillende roosters verkregen door de twee soorten nanodeeltjes in verschillende verhoudingen met elkaar te mengen”, vertelt fysicus dr. Thomas Altantzis (UAntwerpen). “Telkens wanneer we vervolgens het ijzeroxide verwijderden, was het resultaat een zuiver rooster van gouden nanopartikels met een andere interne structuur – met andere woorden: een ander nanoallotroop van goud.” Door de verhouding te wijzigen, konden de wetenschappers de structuur van het nanoallotroop nauwkeurig controleren.

 “De nanoallotropen bleken wezenlijk van elkaar te verschillen, zoals dat het geval is bij klassieke allotropen, bijvoorbeeld in hun optische eigenschappen. Hoewel het onderzoek werd uitgevoerd met nanopartikels van goud, is deze aanpak ook uitbreidbaar naar andere materialen.”

Niet alleen voor de lol

Er zijn talrijke mogelijke toepassingen van nanoallotropen, zoals de creatie van poreuze films met een vooraf gedefinieerde gatenstructuur voor filtratie, of de creatie van substraten die chemische reacties katalyseren, bijvoorbeeld om contaminanten af te breken en zo water te zuiveren. “Onze methode maakt het mogelijk om stabiele, chemisch duurzame nanoallotropen te ontwerpen met een vooraf bepaalde structuur, en kan toegepast worden op tal van metalen en halfgeleiders”, besluit Bals.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Science.

 

nanoblokjes

Nanoallotropen van goud in beeld gebracht via transmissie-elektronenmicroscopie (boven) en via elektronentomografie (onder). (Foto UAntwerpen)

 

 



Link: http://www.uantwerpen.be/emat