Atomen tellen, is dat kinderspel?

Onderzoekers vertellen: Atomen tellen, is dat kinderspel? Bron: Annelies De wael

In mijn onderzoek kijk ik naar nanodeeltjes, opgebouwd uit atomen die netjes op elkaar gestapeld zitten. Daarom doet het me soms ook wel eens denken aan spelen met blokkentorens. Alleen kunnen we deze torens niet zomaar met het blote oog bekijken. Daarom nemen we er foto’s van met een zeer sterke elektronenmicroscoop. Op die manier kunnen we sterk inzoomen, en langs boven de atomen in het nanodeeltje bekijken. Door dan te gaan tellen hoeveel atomen achter elkaar zitten, weten we hoe het nanodeeltje eruit ziet.

Atomen zijn (heel erg kleine) bouwstenen

Ik ben Annelies, en mijn onderzoek gaat over het tellen van atomen. Op de linkse foto zie je mijn kindjes, Lars en Margot, die een blokkentoren bouwen. En eigenlijk kan je mijn onderzoek daar wel een beetje mee vergelijken. Atomen zijn namelijk de bouwstenen van alle materie om ons heen.

Er zitten atomen in de stoel waar je op zit, in je ontbijt deze morgen, in je gsm, zelfs in je favoriete huisdier. Er zitten ook atomen in elke hap lucht die we inademen en in elke druppel regen die uit de lucht valt.

Hoeveel atomen denk je dat er in zo één regendruppel zouden zitten? Het zijn er zo’n 5 000 000 000 000 000 000 000 (5 miljoen miljoen miljard). Dat is meer dan er zandkorreltjes zitten in een zandkasteel. Het is zelfs meer dan er zandkorreltjes liggen op heel het Belgisch strand. Met zoveel zandkorreltjes kan je het Belgische strand opstapelen tot 250 km hoog!

Als het regent, vallen er dus miljoenen atomen op je paraplu, ook al zie je die niet. Atomen zijn dus wel bouwstenen, maar vele malen kleiner dan de blokken waarmee mijn kindjes spelen. Zet je er zo heel veel bij elkaar, dan kan je iets groot maken. Zet je er zo minder bij elkaar, kan je ook heel erg kleine materialen maken, zoals nanodeeltjes. Daarin zitten honderden tot duizenden atomen, ongeveer het aantal zandkorreltjes in een klein schepje zand.

Kleine nanodeeltjes, grote impact

Die nanodeeltjes zijn super klein, maar kunnen heel erg belangrijk zijn. Het soort nanodeeltjes waar ik naar gekeken heb, worden typisch gebruikt als katalysator. Als katalysator zorgt het nanodeeltje er dan bijvoorbeeld voor dat de omzetting van giftige gassen uit de uitstoot van je auto naar minder giftige gassen efficiënt kan verlopen. Er wordt tegenwoordig ook veel onderzoek gedaan naar nanodeeltjes voor gerichte aflevering van medicatie, bijvoorbeeld doelgericht aan een tumorcel, om zo een betere behandeling voor kanker of andere ziektes te ontwikkelen. Voor deze toepassingen is het heel belangrijk hoe het nanodeeltje er juist uit ziet. Als het nanodeeltje te groot is of het oppervlak te ruw, zal het minder geschikt zijn als katalysator, of de medicatie niet op precies de juiste plaats afleveren. Het is dus heel belangrijk dat zo’n nanodeeltje de juiste vorm en grootte heeft. En dat is waar mijn onderzoek bij kan helpen.

Kijken naar atomen: heel sterk inzoomen!

We kunnen die nanodeeltjes niet met het blote oog zien. Daarvoor hebben we een microscoop nodig. Met een gewone lichtmicroscoop kunnen we al redelijk ver inzoomen, maar om naar atomen te kijken, hebben we een nog sterkere microscoop nodig: de elektronenmicroscoop.

Op de middelste foto zie je mij naast onze nieuwste elektronenmicroscoop staan. Je ziet dat het een erg groot toestel is, dat zijn eigen kamer heeft bij ons op het EMAT lab. Mijn collega’s nemen hiermee dan vanuit de kamer ernaast beelden op. Die ga ik dan analyseren, om te achterhalen hoe het nanodeeltje dat we in die microscoop hebben zitten er nu juist uit ziet.

Meer dan mooie plaatjes

Typisch ziet een foto die gemaakt wordt van zo’n nanodeeltje er als volgt uit: zwart, met witte stippen. De witte stippen zijn in dit geval de atomen. In feite kan je zo’n foto vergelijken met het bovenaanzicht van verschillende torens naast elkaar. En om te weten hoe het nanodeeltje eruit ziet, wil ik dus gaan tellen hoeveel atomen er achter elkaar zitten, in elk van die torens. Niet in één enkel beeld, maar ook in een filmpje van opeenvolgende beelden, om te kijken of het nanodeeltje verandert doorheen de tijd.

In mijn onderzoek heb ik daarom statistiek gebruikt om modellen op te stellen die de zwart-wit foto beschrijven en die de foto vertalen naar het echte nanodeeltje dat er bij hoort. Dat liep niet altijd van een leien dakje, en ik heb doorheen het onderzoek mijn model ook wel wat moeten aanpassen, om toch uiteindelijk zo veel mogelijk uit die zwart-wit foto’s te halen.

Uiteindelijk ben ik er dan in geslaagd om te achterhalen hoeveel atomen er achter elkaar zitten, in elk van de torens die we langs boven bekeken. Door dan nog één extra berekening uit te voeren, kunnen we van dat aantal atomen overgaan op de volledige 3D vorm van het nanodeeltje. Zo maakt mijn onderzoek het dus mogelijk om te weten te komen hoe zo’n ontzettend klein nanodeeltje eruitziet. Het valt dus wel een beetje te vergelijken met blokkentorens bestuderen, maar dan met een echt relevante toepassing!

Wil je meer weten?

Dan kan je eens kijken naar dit populariserend nieuwsartikel, dat bij een van mijn papers hoort, of in mijn thesis.

Lees je liever zelf in meer detail de academische literatuur? Dan zijn hier enkele relevante referenties: