Kristalletje spelen met troebel chloroform

Minuscule bolletjes silica in chloroform blijken zich op dezelfde manier te kunnen schikken als atomen of moleculen. Ze vormen kristallen of lijken te verglazen....

MARTIJN VAN CALMTHOUT

FYSISCH-CHEMICUS dr A. van Blaaderen kan een grimas soms niet helemaal onderdrukken als hij tijdens een lezing over zijn baanbrekende werk even over de lessenaar de zaal inkijkt. Daar zitten ze dan, zijn collega's in de colloïd-chemie, de scheikunde van de troebele vloeistoffen. Serieuze mannen en vrouwen, topwetenschappers soms, met allemaal hetzelfde kartonnen speelgoedbrilletje op de neus. Koddig, dat is het woord.

Met links een rood glas en rechts een groen, kunnen ze op het projectiescherm achter hem diepte in zijn dia's zien. Door zo'n bril worden de plaatjes, die op het eerste gezicht vaag zijn, opeens haarscherpe ruimtelijke afbeeldingen van duizenden balletjes, vaak min of meer netjes opgestapeld.

Het lijkt alsof Van Blaaderen als een dolle in de weer is geweest met de plastic balletjes en staafjes uit de modellendoos van het scheikundepracticum. Maar niets is minder waar: dit is puur natuur.

De balletjes op de foto zijn weliswaar geen echte atomen, maar als we Superman waren zouden we de materie beslist zo zien. In dit geval zijn de ballen op het diascherm silica-bolletjes van éénduizendste millimeter doorsnee, gefotografeerd door een speciale microscoop die van elk deeltje de plaats in de ruimte kan vaststellen.

Als die bolletjes dus op de prent met z'n allen netjes een rooster vormen, hebben ze dat helemaal zelf verzonnen. Dan is daar geen handwerk of rekentruc aan te pas gekomen, maar slechts Moeder Natuur als bedreven modellenbouwer. En natuurlijk Van Blaaderens uitgekookte microscooptechniek die dit zichtbaar maakt en waarmee hij in de wereld van de fysische chemie furore maakt.

Tot voor kort werkte hij als onderzoeker in Amerika bij de fameuze Bell Labs van de firma AT & T aan een idee waarvoor de basis in de jaren zeventig in Utrecht werd gelegd. Destijds opperde de Utrechtse colloïd-chemicus prof. dr A. Vrij dat een hoge concentratie microscopische bolletjes in een vloeistof zich kan gedragen als atomen in materie.

Immers, de kracht waarmee zulke bolletjes elkaar aantrekken of afstoten, lijkt in veel opzichten als twee druppels water op wat zich tussen atomen of moleculen afspeelt. Dus moesten de colloïden zich in de vloeistof kunnen rangschikken zoals atomen in een stof dat doen.

Het gebruik van colloïden, troebele vloeistoffen waarvan bloed en melk natuurlijke voorbeelden zijn, heeft voor fysisch chemici grote voordelen. Atomen zijn doorgaans te klein om zichtbaar te maken en bewegen bovendien veel en veel te snel om processen als stollen of smelten in detail te kunnen volgen. Colloïden, daarentegen, vertonen in veel opzichten hetzelfde gedrag als atomen, maar zijn microscopisch zichtbaar en ze bewegen in verregaande slow motion. Langzaam genoeg in ieder geval om met geavanceerde apparatuur stap voor stap te kunnen worden gevolgd.

Van Blaaderen ontpopte zich tijdens zijn promotie in de jaren tachtig bij het Van 't Hoff-laboratorium in Utrecht al als een natuurtalent bij het ontwikkelen van 'slimme' colloïden voor dit soort modelstudies. Als weinig anderen bleek hij in staat via lange ketens van chemische reacties glasbolletjes te laten groeien uit silica, bolletjes die niet alleen allemaal exact even groot zijn, maar die zwevend in chloroform ook nog de gewenste afstoting of aantrekking vertonen.

Vorige maand publiceerden Van Blaaderen en zijn collega dr P. Wiltzius van Bell Labs in Murray Hill een artikel in Science waarin werd aangetoond dat er colloïden zijn die zich precies gedragen als moleculen in glas. Op zichzelf, zegt de onderzoeker erbij, is dat geen verrassing. De theorie had het voorspeld. Wat hem betreft is het nieuws vooral dat hij dit zichtbaar heeft kunnen maken.

Op de plaatjes in het Science-artikel staat een stapel lichtblauwe balletjes, die aan één kant door een lawine lijkt te zijn aangetast. Precies zo, bezweert Van Blaaderen, hangen de moleculen in echt glas met elkaar samen. Dat blijkt uit computersimulaties die ter controle werden uitgevoerd.

Het colloïdenglas is gemaakt door silica-bolletjes in een oplosmiddel, op het oog niet meer dan een wat troebele druppel vloeistof in een plat glazen buisje, te laten kristalliseren en snel in een centrifuge rond te draaien. De middelpuntvliedende kracht drukt de microscopische bolletjes daarbij krachtig in één hoek, waar ze zich op een zo voordelig mogelijke manier kunnen schikken. Kennelijk is dat in dit geval de glasstructuur.

Om dit te laten zien, gebruiken Van Blaaderen en Wiltzius een zogeheten confocale microscoop, een apparaat dat vooral in de biologie de laatste jaren grote opgang heeft gemaakt bij het bestuderen van weefsels. Maar met wat trucs is er ook mee in het pakket samengeperste colloïden te kijken.

In een confocale microscoop wordt met een laser telkens precies één punt van het colloïde-pakket belicht. Met een optische truc wordt alleen licht dat van die ene plek komt, in de microscoop waargenomen. Daardoor zijn veel subtielere details zichtbaar te maken dan met gewone microscopie.

Zichtbaar is overigens een groot woord. In een confocale scanning lasermicroscoop wordt alleen nog de intensiteit gemeten van het licht dat door het preparaat dringt. Door laag voor laag het hele monster van links naar rechts en van boven naar beneden te belichten en alle intensiteiten te meten, wordt voldoende informatie bij elkaar gehaald om uit te rekenen hoe de materie is verdeeld.

Om elk bolletje in zo'n pakketje afzonderlijk te kunnen zien, bouwde Van Blaaderen bovendien nog als een ware alchimist een kern van fluorofoor in de silica-bolletjes, die onder laserlicht oplicht.

De ruimtelijke posities van de bolletjes blijken daarmee tot op miljoensten van een millimeter nauwkeurig te bepalen. De benodigde rekentijd is aanzienlijk, maar niet onzinnig lang en een monster kan snel genoeg worden gescand om bijvoorbeeld kristallisatie in stappen te zien optreden.

Van Blaaderen is sinds kort terug in Nederland, deels dank zij een zak geld van een aantal onderzoeksinstellingen, waarmee hij zijn werk hier kan voortzetten en deels omdat AT & T onlangs Bell Labs in hapklare brokken in de verkoop heeft gedaan. De doodklap voor de fundamentele onderzoekers van het lab, besefte Van Blaaderen net op tijd.

In dienst van het Van 't Hoff-lab en het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (Amolf) bouwt hij in Amsterdam een exemplaar van zijn superieure colloïdenmicroscoop. Het apparaat moet van wereldklasse worden. De vierkante meters op de werkvloer van het immer overbevolkte laboratorium in de Watergraafsmeer staan de komende maanden nog goeddeels leeg.

Hij reist nog even als een bezetene de wereld over om de beste onderdelen en leveranciers bij elkaar te zoeken, lezingen te houden en en passant ook nog werkend aan mogelijk patenteerbare toepassingen van zijn op maat maakbare colloïden. Hij mompelt wat over speciale optische filters en misschien zelfs materialen voor lasers zo klein als een speldeknop. Maar dat is al weer meer dan hij zou moeten zeggen.

Wat waarachtig een punt is in dit jonge vakgebied, zucht Van Blaaderen. 'Het is zo opwindend dat je in je enthousiasme je potentiële belangen soms bijna vergeet.'

Martijn van Calmthout

Meer over