Onderzoekers zien schelp groeien dankzij ‘ionenspons’

Nieuwe microscopietechniek bevestigt dertig jaar oude theorie

26 januari 2015

Eindhovense en Amerikaanse onderzoekers, waaronder Vici-laureaat Nico Sommerdijk, kunnen de vorming van schelpen op nanometerniveau in realtime zien gebeuren dankzij een nieuwe vorm van elektronenmicroscopie. Hierdoor zagen ze voor het eerst hoe stukjes polymeer fungeren als ‘ionenspons’; ze zuigen de benodigde ionen aan en zorgen dat kristalvorming specifiek daar plaatsvindt – een experimentele bevestiging van een bijna dertig jaar oude theorie. De onderzoekers van Technische Universiteit Eindhoven (TU/e), het Amerikaanse Lawrence Berkeley National Laboratory en Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) publiceren hun vondst online in Nature Materials. Dit resultaat werpt niet alleen nieuw licht op de nog steeds grotendeels onbegrepen biologische kristalvorming in de natuur, het biedt ook nieuwe inzichten om industriële kristalvorming, waarmee bijvoorbeeld computerchips en zonnecellen worden gemaakt, efficiënter te sturen.

Biomineralisatie in de natuur, waarbij organismen mineralen groeien om bijvoorbeeld schelpen en tanden te vormen, gaat op een manier waar technologen alleen maar van kunnen dromen. De controle die we hebben over onze huidige industriële kristallisatieprocessen stelt in zekere zin weinig voor, vergeleken met de perfectie waarmee de natuur kristallen groeit en ordent. Al decennialang probeert de wetenschap daarom verwoed grip te krijgen op deze onnavolgbare chemie in de natuur.

Nieuwe theorie

Eind jaren tachtig presenteerden Israëlische onderzoekers een nieuwe theorie rond de eerste stappen bij de vorming van schelpen. Dit begint als calcium- en carbonaationen rondzweven in een oplossing, nog voordat ze aan elkaar hechten en kristalliseren tot het bekende harde materiaal: calciumcarbonaat. Volgens de Israëliërs verloopt dit hechtproces niet willekeurig, maar wordt dit gestuurd door de aanwezigheid van kleine pannenkoekvormige stukjes onoplosbaar biopolymeer. Deze fungeren als ‘ionenspons’: ze trekken calciumionen aan, zodat deze zich juist hier groeperen. Vervolgens kunnen carbonaationen veel makkelijker hechten aan het calcium, zodat alleen hier, op de plaats van de sponzen, calciumcarbonaatkristallen vormen.

Vloeistofmicroscopie

Ruim dertig jaar later is de technologie geavanceerd genoeg en bewijzen onderzoekers onder leiding van TU/e-hoogleraar Nico Sommerdijk en de Amerikaanse onderzoeker Jim de Yoreo dat inderdaad zulke ionensponzen een rol spelen. Met een nieuwe vorm van elektronenmicroscopie, waarbij een oplossing op de nanometer nauwkeurig, en in realtime, bekeken kan worden. “Een enorm verschil met de vorige standaard, waarbij je samples moest invriezen en dus alleen losse stappen in het proces kon bestuderen. In plaats van te kijken naar ‘snapshots’ van de verschillende stappen kunnen we nu gewoon naar een film kijken”, aldus Sommerdijk.

Aquarium

In het experiment fungeerde het polymeer polystyreensulfonaat als ‘ionenspons’. De te bestuderen oplossing werd omsloten met dunne, doorzichtige membranen, zodat een soort aquarium ontstond. Met inlaatkleppen konden de chemici calcium- en carbonaationen naar wens naar binnen laten stromen. In een experiment zonder het polymeer gebeurde er weinig spannends: slechts her en der vormden zich de gebruikelijke kleine kristalletjes. Maar mét het polymeer was duidelijk zichtbaar hoe het calcium voornamelijk hieraan adsorbeerde, waarna met het carbonaat erbij juist op deze plekken kristallen vormden, en bovendien vele malen sneller dan zonder het polymeer.

Efficiëntere kristalvorming

Kristallisatie wordt in veel technologische toepassingen gebruikt, bijvoorbeeld in de nanotechnologie of bij het maken van geneesmiddelen. “Om dan de kristallisatie op gang te brengen zorgt men simpel gezegd dat de oplosbaarheid slechter wordt”, zegt Sommerdijk. “Als ik bijvoorbeeld een warme suikeroplossing afkoel zal de suiker kristalliseren. Maar je weet nooit waar deze kristallen gaan groeien. Met zo’n spons kun je niet alleen controleren wáár ze gaan groeien maar ook hóe ze gaan groeien zodat je uiteindelijk niet alleen hun locatie maar ook bijvoorbeeld hun vorm veel beter kunt controleren.”

Het onderzoek van Nico Sommerdijk is deels gefinancierd met een Vici-subsidie van NWO.

Meer informatie


Bron: TU Eindhoven