Minikristallen zijn soms lelijk aan de buitenkant, maar perfect aan de binnenkant

Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben voor het eerst de driedimensionale structuur van fotonische supradeeltjes kwantitatief in kaart gebracht. Supradeeltjes zijn microscopische bollen die bestaan uit duizenden kleinere colloïdale bolletjes. Voorheen konden onderzoekers alleen de buitenkant van deze deeltjes bekijken. Met een combinatie van microscopie met superhoge resolutie en machine learning laten de onderzoekers zien dat deeltjes die er aan de buitenkant rommelig uitzien, van binnen vaak een vrijwel perfect kristal zijn. 

Blauwe morphovlinders danken hun levendige kleur aan de interne structuur van hun vleugels, in plaats van aan pigment. De ordening van deeltjes op microscopische schaal zorgt dat licht op zo’n manier wordt weerkaatst dat de vlinders helderblauw kleuren en dat die kleur vanuit elke hoek hetzelfde blijft. 

Dat principe fascineert promovendus Jesse Bückmann. Hoe bepaalt die ordening van deeltjes op micro-niveau de eigenschappen van een materiaal? En wat gebeurt er als je die ordening nét iets verandert? 

Minikristallen

Vlinders komen helaas niet terug in het onderzoek van Bückmann en zijn collega’s. Ze werkten met zogenoemde fotonische supradeeltjes: microscopische bollen opgebouwd uit duizenden kleinere silicabolletjes die samen een kristalrooster vormen, en – net zoals bij de blauwe morphovlinder – dezelfde hoekonafhankelijke kleur vertonen.

Die minikristallen maken ze zelf,  in een van de labs van het Ornsteingebouw van de Universiteit Utrecht. “Je hoopt altijd dat ze goed gelukt zijn, maar dat weet je pas wanneer je ze onder de microscoop gaat bekijken”, vertelt Bückmann.

Undercover

Tot nu toe werden supradeeltjes vaak bekeken met scanning elektronenmicroscopie. Daarmee zie je haarscherp hoe de buitenkant eruitziet, maar je kan er niet mee naar de binnenkant van minikristallen kijken, vertelt Bückmann. “De interessante materiaaleigenschappen ontstaan vaak door de structuur van de binnenkant, en daar heb je dus andere microscopietechnieken voor nodig.”

Die binnenkant kan nog wel voor verrassingen zorgen, want wat onder de elektronenmicroscoop rommelig oogt, blijkt aan de binnenkant soms bijna perfect geordend. Simulaties voorspelden al dat zulke ‘undercover’-kristallen konden bestaan, maar experimenten laten nu hetzelfde zien.

Nobelprijstechniek 

Om dat mogelijk te maken gebruikte het team een combinatie van 3D-confocale microscopie en STED-microscopie. Die techniek werd in 2014 bekroond met de Nobelprijs voor de Scheikunde vanwege de sterk verbeterde resolutie. In dit onderzoek werd de resolutie ongeveer vier keer verbeterd ten opzichte van conventionele confocale microscopie. Dat lijkt misschien mee te vallen, maar het is van groot belang voor de uitkomst: de onderzochte deeltjes zijn kleiner dan 500 nanometer en dus ongeveer even groot als de golflengte van zichtbaar licht. Alleen met deze verhoogde resolutie kunnen individuele deeltjes in drie dimensies goed in beeld worden gebracht. 

Alfons van Blaaderen, hoogleraar Soft Condensed Matter, ontwikkelde een methode om fluorescente kernen in te bouwen in de supradeeltjes. Met die techniek kon Bückmann individuele bolletjes lokaliseren en hun exacte coördinaten bepalen. Vervolgens werden met een machine learning model, ontwikkeld door Alptuğ Ulugöl en Laura Filion, verschillende kristalklassen onderscheiden, waarbij de bolletjes steeds net anders op elkaar gepakt zijn.

Van fundamenteel naar toepasbaar

Het onderzoek is fundamenteel van aard, maar de methode is breed toepasbaar op andere colloïdale systemen. Fotonische supradeeltjes zouden bijvoorbeeld misschien gebruikt kunnen worden als duurzamer alternatief voor verf, waarbij de kleur langer behouden blijft. Het team werkt  aan manieren om de structuren stabieler te maken, zodat ze makkelijker toegepast kunnen worden voor dit soort doeleinden.