Nanofysici zoals ik bestuderen stukjes Lego, maar dan op een schaal die 10 miljoen keer kleiner is. Dat is moeilijk voor te stellen, maar ik ga jullie uitleggen hoe dat eruitziet en waarom ik dat doe. Heb jij al eens een atoom gezien? Vanuit Hongaar 3020 in Herent is dit de Universiteit van Vlaanderen. Kijk eens rondom.
Alles rondom ons, alle stoelen, die tafeltjes, wij zelfs, alles bestaat uit atomen. Atomen zijn dus de kleinste bouwsteentjes in de natuur. Dat wisten we al, maar we kunnen nu ook met die atomen gaan knutselen en nieuwe materialen en nieuwe dingen maken.
We kunnen dat doen op een heel erg kleine schaal, op de schaal van nanometers. In één nanometer passen ongeveer... Tien atomen. Als we zo'n nanomateriaal maken, dan spreken we van nanotechnologie. Ik ga jullie vandaag vertellen hoe we de atomen in zo'n nanomateriaal kunnen bekijken.
waarom dat belangrijk, maar ook razend interessant is. Laten we beginnen met het woord nano. Want hoe klein is nu zo'n nanometer?
Wel, jullie zien hier een foto van een haar bij hoge vergroting. We zijn er op ons laboratorium met een speciale techniek in geslaagd om het logo van de Universiteit van Vlaanderen in dat haar te schrijven. Dat is al behoorlijk indrukwekkend, maar nanotechnologie vindt plaats op nog veel kleinere schaal.
Om ons dat in te beelden, zou ik jullie willen vragen om in jullie gedachten dat haar even groot te maken als de kathedraal van Antwerpen. Op die nieuwe schaal die ik gecreëerd heb, is iets kleins zoals bijvoorbeeld een rode bloedcel even groot als het standbeeld van Rubus. Een bacterie is even groot als een sokkel van het standbeeld. Een proteïne komt overeen met een duif die op het standbeeld zit.
En een nanometer? Wel, een nanometer is een piepklein korreltje in het standbeeld van Rubens. Dat moeten we vergelijken met die kathedraal die overeenkwam met de diameter van een haar.
Ik denk dat we het eens zijn, een nanometer is heel erg klein. Om dat nog beter in te zien, gaan we terug naar de lengteschaal die we kennen. Om dat te laten zien, heb ik hier een ontstekingskaars, oftewel de bougie van een motor.
We gaan nu kijken naar die bougie en we gaan steeds verder inzoomen. Dan gaan we zien dat het witte materiaal van die ontstekingskaars, dat is aluminiumoxide, op het eerste zicht perfect glad lijkt. Maar als we in meer detail gaan kijken, dan zullen we zien dat het oppervlak eigenlijk helemaal niet zo glad is.
We zien daar allemaal bergjes en putjes. En als we nog beter gaan kijken, dan zullen we zien dat ook de flanken van die bergjes helemaal niet glad zijn. Die flanken zijn ruw en we zien daar een set van trapjes.
En loodrecht op die... In het eerste set van trapjes zien we een tweede set van trapjes. Dat wil zeggen dat als we dat materiaal breken, er bepaalde voorkeursrichtingen zijn. We zijn nog niet op de schaal van nanometers.
We bevinden ons ergens in het micrometerregime. Een micrometer is duizend keer groter dan een nanometer. Nu, dat aluminiumoxide bestaat uit kleine korreltjes, net zoals het standbeeld van Rubus bestond uit korreltjes.
Waar twee korreltjes samenkomen, noemen we de korrelgrens. Het is een korrelgrens die bepaalt hoe sterk een materiaal is. Dat is de zwakste schakel.
We zien daar een korrel, omringd door korrelgrenzen. Die korrelen zijn allemaal anders gericht ten opzichte van de richting waar we langs kijken. Als we nu kijken langs een richting waar al die atomen netjes achter elkaar geschikt zijn, dan verwachten we een stippenpatroon.
Dat stippenpatroon laat dus eigenlijk al zien dat we effectief individuele atomen kunnen bekijken. Maar ik ga nu nog niet verklappen welke techniek we daarvoor gebruiken. Ik heb gezegd één nanometer, dat is ongeveer tien atomen. Dus we zijn nu effectief aan het kijken op de schaal van de nanometers. Dus we weten dat een nanometer heel erg klein is en alle materialen bestaan uit atomen.
Als we nu materialen gaan maken met afmetingen binnen dat nanometergebied, dat mag vijf nanometer zijn of dat mag 200 nanometer zijn, dan spreken we over nanomaterialen. Zo'n nanomaterialen zijn heel erg interessant omdat ze nano-eigenschappen hebben. Ik geef jullie een voorbeeld.
Jullie zien hier mijn gouden trouwring. Die heeft uiteraard voor mij emotionele waarde, maar zo'n trouwring qua eigenschappen... is daar eigenlijk niet veel speciaals aan.
Maar als ik kijk naar gouden nanodeeltjes, dan hebben die heel andere eigenschappen. Bijvoorbeeld, de smelttemperatuur van een goud nanodeeltje is veel lager dan de smelttemperatuur van mijn trouwring. Zo zijn er nog tal van eigenschappen.
Omwille van die eigenschappen kunnen we nu nieuwe toepassingen ontwikkelen. Ik heb hier... een driedimensionale print van een gouden nanodeeltje.
Een hol gouden nanodeeltje. Dit is bij een vergroting van vijf miljoen keer. We kunnen dit nanodeeltje vullen met een bepaald medicijn en omhullen door een zacht laagje.
De patiënt zal dit systeem dan innemen en via biomoleculen kan je dat laten linken aan welbe... bepaalde cellen in het lichaam, bijvoorbeeld een tumorcel. Vervolgens wordt de patiënt bestraald met een laser en omwille van de interactie tussen de laser en het nanodeeltje ontstaat er een heel kleine beweging.
En beweging creëert warmte. Dat weten we als we in onze handen wrijven. Door die warmte zal dat dunne laagje gaan smelten en komt het medicijn vrij, maar heel erg gecontroleerd, zodat het enkel de tumorcel zal... aanvallen en niet de gezonde cellen. Wat is mijn rol in dit geheel?
Ik ben geen medische arts, ik ben een nanofysicus. Wel, het is belangrijk om te weten wat de vorm is van die nanodeeltjes. Of dat een bolletje, een staafje of een kubusje is. Want het is de vorm die zal bepalen welke laser, welke golflengte van laser je moet gebruiken.
We moeten dus de vorm van die nanodeeltjes kunnen bestuderen. Dat doen we in ons laboratorium door gebruik te maken van een elektronenmicroscoop. Hier zien jullie een voorbeeld van zo'n elektronenmicroscoop.
Die is veel groter dan de optische microscoop die jullie je misschien herinneren uit de les Biologie. Wat nu nog belangrijker is, is dat zo'n elektronenmicroscoop geen gebruik maakt van zichtbaar licht. Want zichtbaar licht heeft een golflengte tussen de 400 en 700 nanometer.
Dat is veel te groot om die individuele nanodeeltjes te detecteren. We maken daarom gebruik van elektronen. Want elektronen hebben een golflengte in het picometergebied.
Een picometer is nog eens duizend keer kleiner dan een nanometer. Hoe gaan we dat nu in de praktijk doen? Wel, jullie zien hier drie flesjes met vloeistof. In die vloeistof zitten gouden nanodeeltjes.
Die flesjes hebben verschillende kleuren. Dat is opnieuw een voorbeeld van nano-eigenschappen, want de grootte van die nanodeeltjes bepaalt de kleur. We brengen dan een druppeltje van zo'n oplossing op het dragertje aan het einde van mijn pincet. Het is een klein dragertje.
Je kan de functie ervan vergelijken met het glazen plaatje van een optische microscoop. Dit dragertje gaan we dan vervolgens hier aan het uiteinde van deze houder aanbrengen. En die houder stoppen we dan in de elektronenmicroscoop.
En op die manier krijgen we beelden die eruit zien, zoals jullie hier kunnen zien. En we zien hier weer het stippenpatroon, zoals we dat ook zagen voor de ontstekingskaars. So far, so good. Maar ik heb jullie verteld hoe we de vorm van die nanodeeltjes moeten bepalen.
De vorm bepalen kan je niet op basis van één tweedimensionaal beeld. Om jullie een vergelijking te geven, jullie zien hier een ander tweedimensionaal beeld, dat is een schaduwbeeld, maar ik denk niet dat jullie hadden kunnen raden dat het origineel object geen konijntje is. Om uit tweedimensionale beelden een driedimensionaal beeld te maken, gebruiken we... Tomografie. En tomografie, dat kennen sommigen onder jullie misschien wel, want dat is ook het concept achter een medische scanner.
Als je een scan laat maken van je knie, dan neemt die scanner om je knie verschillende beelden. Via een computerprogramma kan de dokter dan in je knie kijken zonder dat een operatie nodig is. We gaan uiteraard niet die hele elektronenmicroscoop rondom die nanodeeltjes draaien. Nee, we gaan die houder met die nanodeeltjes in de microscoop draaien.
En we gaan zo veel mogelijk beelden nemen. langs verschillende richtingen. En opnieuw gaan we een computerprogramma gebruiken en wiskundige formules om op die manier de vorm van de nanodeeltjes te visualiseren. In Antwerpen hebben we hele sterke elektronenmicroscopen. Top van de wereld.
Maar we hebben ook hele sterke denkers. En zo zijn we erin geslaagd om niet enkel te kijken naar de vorm, van de nanodeeltjes, maar ook te kijken naar de individuele atomen in die nanodeeltjes. Op die manier kunnen we de structuur van de nanomaterialen koppelen aan hun eigenschappen en kunnen we er samen met een team van internationale wetenschappers voor zorgen dat die nanomaterialen op een dak ook effectief gebruikt zullen worden voor medische, maar ook voor tal van andere toepassingen.