Verborgen oppervlakken belicht
Wetenschappers van de Universiteit Leiden, de Universiteit Utrecht en de Stichting FOM zijn erin geslaagd oppervlakken die normaal nauwelijks te bestuderen zijn, toch te analyseren en karakteriseren. Door een moderne techniek met een reeds lang bekende techniek te combineren, is het mogelijk om de moleculaire structuur en oriëntatie van moleculen aan het oppervlak van bijvoorbeeld celmembranen, liposomen en nanodeeltjes in oplossing te bestuderen. Het is de eerste stap op weg naar het bekijken van moleculen in het membraan van een levende cel. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Physical Review Letters van 19 december 2003.
Natuurlijke oppervlakken
Veel belangrijke fysische, chemische en biologische processen, bijvoorbeeld processen in de atmosfeer, katalyse - het versnellen van chemische reacties - en het transport van eiwitten door celmembranen en liposomen, vinden plaats aan oppervlakken. Deze oppervlakken hebben een zeer specifieke samenstelling en structuur, die vaak sterk verschilt van de bulk eigenschappen. Begrip van de structuur en werking van deze oppervlakken in hun natuurlijke omgeving is van belang voor bijvoorbeeld het ontwikkelen van nieuwe technologieën.
Voor de studie van natuurlijke oppervlakken zoals celmembranen zijn weliswaar krachtige technieken beschikbaar, zoals fluorescentiemicroscopie en atoomrastermicroscopie, maar deze geven weinig inzicht in de moleculaire structuur van het oppervlak. Onderzoekers kunnen conventionele spectroscopische technieken (die wel informatie geven over de moleculaire structuur) niet gebruiken omdat de vloeistof waarin het materiaal zich bevindt de meting sterk beïnvloedt. Er zijn (niet-lineaire) optische technieken die wel toepasbaar zijn in oplossing. Deze vereisen echter een vlak oppervlak omdat ze gebruikmaken van reflectie en dat ontberen cellen en liposomen duidelijk.
Het experiment
Om hun doel - molecuul-specifieke spectroscopie van 'verborgen', niet-vlakke oppervlakken - te bereiken, hebben de onderzoekers de moderne oppervlakte-specifieke niet-lineaire optische techniek van som-frequentiegeneratie aangepast. Deze molecuul-structuur gevoelige techniek is tot nu toe alleen toegepast op vlakke oppervlakken, waarbij het oppervlak de laserstralen reflecteert. Voor de sterk gekromde oppervlakken van deeltjes, is er geen macroscopische reflectie van de laserbundels, maar wel een verstrooid signaal. Met een aanpassing van de verstrooiingstheorie die Rayleigh en Debye aan het einde van de negentiende eeuw ontwikkelden, krijgen de onderzoekers informatie over de oriëntatie en ordening van moleculen aan het oppervlak.
Als modelsysteem gebruikten de onderzoekers glasbolletjes van enkele honderden nanometers in doorsnede, behaard met lange staarten koolstofketens in een oplossing. Zij bestraalden deze bolletjes met twee kleuren laserlicht. Eén van deze twee kleuren licht heeft precies de juiste golflengte om verschillende vibraties in moleculen aan het oppervlak aan te slaan. Met een tweede puls worden de vibraties zichtbaar gemaakt. Hoewel er ook in de omliggende vloeistof vibraties worden geëxciteerd, kan de tweede stap alleen maar aan het oppervlak plaatsvinden; vandaar de oppervlakte-gevoeligheid van de techniek. Het vibratiespectrum dat de onderzoekers op die manier verkregen, bevat gedetailleerde informatie over moleculaire structuur en conformatie van de oppervlakte-moleculen.
Resultaten
De onderzoekers maakten met de som-frequentiegeneratietechniek een spectrum van het oppervlak van de bolletjes, en maten de hoekafhankelijke intensiteit van de verstrooiing. Zij konden de verkregen data goed verklaren met de nieuw ontwikkelde theorie, en uit deze analyse bleek dat de haren - de koolstofketens - een warrige kluwen vormen. Vaak worden dit soort bolletjes schematisch weergegeven met uitstaande haren, en dat blijkt nu dus niet correct te zijn. Het verstrooiingspatroon dat ontstaat is scherper naarmate de bollen groter zijn. De onderzoekers gaan nu onder andere het fasegedrag van oppervlakte-moleculen bekijken.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met drs. Sylvie Roke, telefoon (071) 527 44 52 of - in de periode van 9 tot en met 16 januari 2004 - met dr. Mischa Bonn, telefoon 06 14 47 68 96.