Minerva-Prijs 2006 voor dr. Sylvie Roke

Roke (28) krijgt de prijs voor een artikel waarin zij een nieuwe toepassing beschrijft van vibrational sum frequency generation, een techniek die ontwikkeld is om de moleculaire eigenschappen van het oppervlak van submicrondeeltjes in suspensie te bestuderen. Dit werk, dat Roke als promovenda deed, opent nieuwe routes voor de in-situ bestudering van de oppervlakken  van bijvoorbeeld cellen, maar ook nanodeeltjes. De FOm/v-commissie prijst Roke om haar innovatieve, helder geschreven artikel, waarin de analyse van de resultaten gepaard gaat met goed verzorgde onderbouwende theorie. Roke heeft zich als onbetwiste leider van het onderzoek gemanifesteerd.

Roke studeerde natuurkunde en scheikunde aan de Universiteit Utrecht. In 2000 rondde ze beide studies cum laude af met een stage op het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam. Ze zette haar carrière voort met een promotieonderzoek in de groep van prof.dr. Aart Kleyn aan de Universiteit Leiden, in dienst van FOM. Roke promoveerde cum laude in september 2004 bij Mischa Bonn en Aart Kleyn. Roke is nu groepsleider van een Independent Junior Research Group van de Duitse Max-Planck-Gesellschaft. Deze positie betreft een contract voor vijf jaar aan het Max-Planck-Institut für Metalforschung in Stuttgart. Hier werkt ze aan niet-lineaire optische verstrooiing aan heel kleine deeltjes in een oplossing. Dit onderwerp bouwt deels voort op haar promotieonderzoek, waarin ze heeft aangetoond dat niet-lineaire verstrooiing mogelijk is.

Doel Minerva-Prijs
Het doel van de tweejaarlijkse Minerva-Prijs is vrouwelijke onderzoekers in de natuurkunde meer zichtbaarheid te geven. De prijs maakt deel uit van het FOm/v-Stimuleringsprogramma dat FOM in 1998 heeft ingesteld om meer vrouwelijke natuurkundigen te behouden voor de Nederlandse fysica. Sinds 2005 heeft het programma een structureel budget van € 300.000 per jaar. Het programma biedt onder andere vrouwelijke postdocs extra mogelijkheden voor financiering van onderzoeksvoorstellen en biedt universitaire faculteiten overbruggingssubsidies bij het aanstellen van vrouwen in vaste dienst. De prijs zelf heeft als specifiek doel excellente vrouwelijke fysici voor het voetlicht te brengen en een impuls te geven aan de carrière van de prijswinnares. Aan de Minerva-Prijs is een geldbedrag van 5000 euro verbonden, door de winnares vrij te besteden.

Voor meer informatie over het onderzoek kunt u contact opnemen met dr. Sylvie Roke, Max-Planck-Institut für Metalforschung, Stuttgart, Duitsland, telefoon +49 71 16 89 36 79.

De titel van het bekroonde artikel luidt: ‘Vibrational Sum Frequency Scattering from a Submicron Suspension', auteurs Sylvie Roke, Wim Roeterdink, Judith Wijnhoven, Andrei Perukhov, Aart Kleyn en Mischa Bonn, verschenen in Physical Review Letters, vol. 91, no. 25, 258302, 19 december 2003.

Achtergrondinformatie over het onderzoek van Sylvie Roke

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 daarom belangrijk.

Voor de studie van natuurlijke oppervlakken zoals celmembranen zijn weliswaar krachtige technieken beschikbaar, zoals fluorescentiemicroscopie, maar deze geven weinig inzicht in de moleculaire structuur van het oppervlak. Onderzoekers kunnen conventionele spectroscopische technieken (die wél 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.  Echter, cellen en liposomen hebben geen vlak oppervlak.

In het winnende artikel beschrijft Roke hoe zij samen met wetenschappers van de Universiteit Leiden, de Universiteit Utrecht en de Stichting FOM erin is geslaagd zulke verborgen oppervlakken toch te analyseren en karakteriseren. Door een moderne techniek (som-frequentiegeneratie) met een reeds lang bekende methode (lichtverstrooiing) te combineren, is het mogelijk om de moleculaire structuur en oriëntatie van moleculen aan het oppervlak van kleine deeltjes te bestuderen. Het is de eerste stap op weg naar het bekijken van moleculen in het membraan van een levende cel.

Het experiment
Om haar doel, molecuul-specifieke spectroscopie van 'verborgen', niet-vlakke oppervlakken, te bereiken, heeft Roke de moderne oppervlakte-specifieke niet-lineaire optische techniek van som-frequentiegeneratie aangepast. Deze techniek die gevoelig is voor de molecuul-structuur van het oppervlak, 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. Door de verstrooiingstheorie die Rayleigh en Debye aan het einde van de negentiende eeuw ontwikkelden aan te passen tot een nieuwe theorie, kreeg Roke informatie over de oriëntatie en ordening van moleculen aan het oppervlak.

Als modelsysteem gebruikte Roke glasbolletjes van enkele honderden nanometers in doorsnede, behaard met staarten van koolwaterstof, in een oplossing (zie figuur 1). Zij bestraalde 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 de eerste puls ook in de omliggende vloeistof vibraties oproept, kan de tweede stap alleen maar aan het oppervlak plaatsvinden; vandaar de oppervlaktegevoeligheid van de techniek. Het vibratiespectrum dat Roke op die manier verkreeg, bevat gedetailleerde informatie over de moleculaire structuur en de conformatie (vorm en onderlinge positie) van de oppervlaktemoleculen.

Experiment en theorie
Roke maakte met de som-frequentiegeneratietechniek een spectrum van het oppervlak van de bolletjes, en mat de hoekafhankelijke intensiteit van de verstrooiing. Zij kon de verkregen data goed verklaren met de nieuw ontwikkelde theorie, en uit deze analyse bleek dat de haren - de koolwaterstofketens - een warrige kluwen vormen, met een lage dichtheid. 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.

Verdere ontwikkeling van het onderzoek
Momenteel bouwt Roke haar eigen Independent Junior Research Group op aan het Max-Planck-Institut für Metalforschung in Stuttgart. Daar legt zij zich in eerste instantie toe op de verdere ontwikkeling van zowel het experiment als de theorie. Uit de eerdere experimenten zijn namelijk twee beperkingen van de ontwikkelde techniek gebleken. De techniek is alleen geschikt voor metingen aan relatief grote deeltjes in een hoge concentratie; het oplossend vermogen is dus laag. Bovendien is de techniek alleen toepasbaar op heldere suspensies: de theoretische beschrijving is vooralsnog beperkt.

Het experiment is te verbeteren door simpelweg laserpulsen met hogere energieën te gebruiken, zodat meer deeltjes tegelijkertijd gemeten kunnen worden. Om dit te bereiken gaat Roke een lasersysteem gebruiken dat pulsen levert met een zeer hoge energie en korte tijdsduur. Vervolgens kan zij met deze pulsen infrarode fotonen maken. Momenteel is Roke met een klein team bezig de opstelling op te bouwen. Op het gebied van theorie is Roke van plan systematisch alle aannames te herzien om zo ook niet-lineaire verstrooiing aan ondoorzichtige suspensies te kunnen beschrijven.

Deze verbeteringen zouden op de lange termijn moeten leiden tot experimenten aan complexere systemen zoals liposomen.