Behaarde bollen klitten beter
Een team van Duitse en Nederlandse onderzoekers is er voor het eerst in geslaagd het moleculaire mechanisme achter de gelvorming van een colloïdale suspensie op te helderen. De moleculen op het oppervlak van de colloïden blijken zich samen met het oplosmiddel te ordenen als de temperatuur verlaagd wordt. Hierdoor plakken de colloïden aan elkaar vast, en ontstaat een gel. Deze verandering aan het oppervlak gaat gepaard met een enorme verandering van de viscositeit van de suspensie. Het is voor het eerst dat wetenschappers de rol van moleculen aan het oppervlakte van colloïden op het gedrag van deze colloïden expliciet waarnemen. De onderzoekers publiceren de resultaten op 24 augustus 2006 in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Colloïden zijn minuscule bolletjes met afmetingen van enkele nanometers tot ruwweg een millimeter. In oplossing kunnen deze deeltjes vele verschillende fases vertonen, variërend van een vloeiende, gas-achtige suspensie tot vaste, kristallijne structuren. Zeer visceuze, amorfe gels komen ook veel voor. Vanwege hun grootte zijn colloïdale deeltjes zichtbaar onder een microscoop. Natuurkundigen gebruiken colloïdale suspensies, oplossingen met deze bolletjes, daarom als modelsysteem voor de bestudering van faseovergangen in materie zoals smelten en bevriezen. Daarnaast dienen colloïdale suspensies als markers voor biomoleculaire interacties. Colloïden met bepaalde eiwitten aan het oppervlak zijn bijvoorbeeld gevoelig voor antilichamen. In de aanwezigheid van antilichamen vormt de suspensie dan een gel.
Invloed van interactie tussen deeltjes
De interactie tussen de deeltjes bepaalt het gedrag en de fase van de suspensie. De oppervlaktemoleculen en het oplosmiddel kunnen op hun beurt de interactie tussen de deeltjes beïnvloeden. Door het oppervlak van de colloïden te modificeren kunnen onderzoekers de fase van de suspensie dus beïnvloeden en bijvoorbeeld stabiliseren.
Ondanks de invloed van het oppervlak op het fasegedrag van colloïden, zijn de meeste meettechnieken die dit fasegedrag in kaart brengen, niet gevoelig voor veranderingen aan dit oppervlak. Meestal wordt gekeken naar veranderingen op macroscopische schaal, zoals verlies van warmte, verandering van de viscositeit. Onderzoekers kijken ook op nog kleinere schaal naar de bolletjes met een microscoop zodat ze collectieve veranderingen in detail kunnen zien. Hoewel dit al erg klein is, zijn de oppervlaktemoleculen nog minstens een factor honderd kleiner.
Behaarde bollen
Wetenschappers bestuderen al lang een modelsysteem dat bestaat uit 'behaarde bollen'. Dit zijn glazen colloïden bedekt met lange, organische moleculen (zie figuur 1). In de literatuur is veel discussie geweest over de rol van de 'haren', de moleculen aan het oppervlak, in het fasegedrag van de colloïdale suspensie. De Duitse en Nederlandse onderzoekers1) hebben recent een oppervlakte-specifieke spectroscopische techniek ontwikkeld, waarmee zij kunnen volgen hoe de haren zich conformeren, schikken en richten in de suspensie tijdens een faseverandering. De onderzoekers koelen de vloeibare suspensie af zodat deze een zeer visceuze gel wordt.
Door deze overgang naar een andere fase veranderen de vibraties, trillingen, die de oppervlaktemoleculen maken. De nieuwe techniek is gevoelig voor die veranderingen in de vibraties. De overgang van een vloeibare suspensie naar een zeer visceuze gel blijkt gepaard te gaan met dramatische veranderingen in de conformatie en oriëntatie van de haren (figuur 2). Bij het vormen van een gel ordenen de haren zich in grote mate, waarbij het oplosmiddel de kale plekken opvult. Dit vergroot de interactie tussen de deeltjes. Uiteindelijk blijven de deeltjes aan elkaar plakken en ontstaat de gel. De experimenten laten verder zien dat het nog dagen duurt voordat de haren hun uiteindelijke hoog-geordende structuur bereiken.
Het is voor het eerst dat onderzoekers expliciet een verband hebben gelegd tussen het moleculaire gedrag aan het oppervlak van colloïden en het macroscopische fasegedrag van de suspensie. Dit opent nieuwe perspectieven voor het bestuderen van met name biomoleculaire interacties aan deeltjes met relevantie voor bijvoorbeeld drug delivery.
1) Het artikel is getiteld 'Surface molecular view of colloidal gelation'. Auteurs zijn Sylvie Roke (Max-Planck Institute for Metals Research, Duitsland), Otto Berg (Universiteit Leiden), Johan Buitenhuis (Research Center Jülich, Duitsland), Alfons van Blaaderen (Universiteit Utrecht) en Mischa Bonn (Universiteit Leiden en FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica, Amsterdam).
Sylvie Roke is in 2004 in dienst van FOM gepromoveerd en winnares van de Minerva-Prijs 2006.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met prof.dr. Mischa Bonn, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, telefoon: (020) 608 12 34.