Oplichtende nanodeeltjes laten opvallend gedrag zien

17 april 2019

Door nanodeeltjes te koppelen aan specifieke moleculen krijgen deze interessante nieuwe functies. Anders dan gedacht vormen deze moleculen clusters.

image
Professor Remco van der Hofstad

Nanodeeltjes krijgen steeds meer toepassingen. Door er specifieke moleculen aan te koppelen, kunnen de nanodeeltjes nieuwe functies krijgen, bijvoorbeeld als medicatie. Lang werd gedacht dat deze moleculen willekeurig zijn verdeeld over het nanodeeltje. Onderzoek van chemici en wiskundigen van de TU Eindhoven onder leiding van professor Remco van der Hofstad heeft nu aangetoond dat dit niet geval is. De moleculen komen juist opvallend vaak in groepjes voor op de nanodeeltjes. Dit inzicht kan leiden tot efficiëntere productie en betere werking van dit soort complexe nanomaterialen. De resultaten zijn gepubliceerd in het journal Nature Communications.

Bepalen of de verdeling van de moleculen echt random (willekeurig) is, is geen sinecure. Zelfs met de beste microscopen is de precieze positie van de moleculen lastig te bepalen, door allerlei lichtverstoringen die optreden tijdens het meetproces. Bovendien, wat is echt random? Neem als voorbeeld de onderstaande plaatjes. Welke van de drie laat daadwerkelijk een willekeurige verdeling zien?

 

image
Random en niet-random verdeling

Veel mensen denken dat het meest rechtse plaatje echt willekeurig is, en dat de andere plaatjes een meer gegroepeerd patroon vertonen. Maar dat is onjuist. Juist de twee linkse plaatjes zijn volledig willekeurig gegenereerd. In het rechter plaatje liggen de moleculen té netjes en regelmatig verdeeld. En dat sluit willekeur juist uit.

Statistiek

Om te bepalen wat er echt aan de hand is, was dus niet alleen kennis van de chemie en een hele goede microscoop nodig (in dit geval de dSTORM-microscoop met superresolutie), maar ook de expertise van wiskundigen. Zij hielpen om de experimentele metingen van de moleculen te interpreteren en te vergelijken met statistische modellen.

Het experiment begon door de moleculen op de nanodeeltjes te markeren met lichtgevende stoffen. Onder de microscoop werden de moleculen dan zichtbaar als lichtpatronen. Deze patronen zijn vanwege de optredende lichtverstoring heel variabel. Met behulp van state-of-the-art statistische technieken werden deze verstoringen weggefilterd, en konden de onderzoekers de daadwerkelijke verdeling van de moleculen bepalen.

Clustering

Deze verdeling vergeleken ze vervolgens met het patroon uit een computersimulatie, waarbij het hechtingsproces van de moleculen volledig willekeurig was. Een vergelijking van beide beelden liet duidelijk zien dat de moleculen op de nanodeeltjes aanzienlijk meer clusteren dan op basis van een volledig willekeurige verdeling kan worden verwacht. De gangbare aanname dat het hechtingsproces volledig willekeurig is, klopt dus niet.

Waarom deze clustering optreedt, is nog niet duidelijk. Verder onderzoek moet dat uitwijzen. Toch spreken de onderzoekers van een belangrijk resultaat. “Hoe beter we begrijpen hoe moleculen zich gedragen op nanodeeltjes, hoe efficiënter de productie van dit soort complexe nanomaterialen en hoe beter we in staat zijn om op een allerlei praktische toepassingen te ontwikkelen van nanotechnologie”, aldus Remco van der Hofstad, hoogleraar Kansrekening aan de faculteit van Wiskunde en Informatica van de TU/e.

Hij is verder erg enthousiast over de unieke samenwerking tussen chemici en wiskundigen in dit onderzoek. “Die is zeker voor herhaling vatbaar”.

R.A.J. Post, D. van der Zwaag, G. Bet, S.P.W. Wijnands, L. Albertazzi, E.W. Meijer, R.W. van de Hofstad, A stochastic view on surface inhomogeneity of nanoparticles.