- Onderzoek
- 06/02/2013
‘Groene’ magnetische kristallen in een potje
Speciale bacteriën kunnen heel gecontroleerd magnetietkristallen laten groeien en bepalen zo de grootte en magneetsterkte van deze deeltjes. Lange tijd was onbekend hoe ze dit voor elkaar krijgen, maar dankzij onderzoek van materiaalchemicus Nico Sommerdijk (Scheikundige Technologie) kan de natuur nu worden nagebootst in een potje.
In het lab is het stil, op het ronddraaien van een roerder in een bekerglas na. En juist in dit bekerglas speelt zich volgens Nico Sommerdijk iets heel bijzonders af. Het is met het blote oog niet te zien -daarvoor is hightech elektronenmicroscopie nodig-, maar in de waterige substantie zijn magnetietkristallen zich aan het formeren. En dat proces kunnen Sommerdijk en zijn collega’s nu beïnvloeden. “Juist omdat magnetiet -een veelvoorkomende magnetische vorm van ijzeroxide- zo onoplosbaar is, is het moeilijk om de grootte en de vorm van de kristallen te controleren tijdens hun vorming. Er wordt daarom al heel lang gekeken hoe magnetotactische bacteriën dat zo precies kunnen. Want daarmee bepalen ze tevens de sterkte van de magnetische eigenschappen.”
“Deze bacteriën gebruiken magnetietkristallen om kleine kompasnaaldjes te vormen en zich te laten leiden door het aardmagnetisch veld. Omdat magnetietkristallen ook veel technologische toepassingen kennen, zoals magnetische data-opslag of als contrastvloeistof bij MRI, is er de laatste jaren veel onderzoek gedaan naar het groeiproces van de kristallen. Maar wij zijn nu de eersten die het voor elkaar hebben gekregen de natuur na te bootsen”, zegt Sommerdijk.
En daardoor waren de chemici ook in staat het groeiproces van de magnetietkristallen tot in detail te bestuderen. Met behulp van hoge resolutie cryo-elektronenmicroscopie zagen ze dat de kristalletjes groeiden door clustering van kristalsubunits van twee nanometer. En dat aangroeiproces is compleet nieuw, zo beschrijft Sommerdijk samen met onderzoekers van het Duitse Max Planck Instituut deze week in Nature Materials.
Sommerdijk: “Vaak zie je dat kristallen direct gevormd worden, zoals bij keukenzout gebeurt. Of wordt het en masse omgezet vanuit een bulksubstantie, wat bij calciumfosfaat in onze botten gebeurt. Maar dat kristallen gevormd kunnen worden door het samenkomen van ongeordende nanodeeltjes, was onbekend. Het is prachtig om te zien: op het moment van aanhechting nemen de subunits dezelfde kristalstructuur aan als die van het hoofdkristal. We konden zelfs de vlakken van atomen in het kristalrooster zichtbaar maken.”
Het onderzoek van Sommerdijk en collega’s is niet alleen van fundamenteel belang. Verderop op de campus toont Marcel Vilaplana een potje met een stroperige zwarte vloeistof. Als hij er vervolgens een magneet tegenaan houdt, ontstaan spectaculaire spikes. Vilaplana is onderzoeker bij Ioniqa, een spin-off van de TU/e. Zij zijn gespecialiseerd in de productie van smart materials, zoals magnetische vloeistoffen. Deze ‘ferrofluids’ worden onder meer gebruikt als sealings in diverse machines om frictie te verlagen en apparaten beter te kunnen uitbalanceren. Hiermee wordt slijtage verminderd.
Ioniqa werkt al enige tijd samen met de onderzoeksgroep van Sommerdijk. Want naast het blootleggen van het magnetiet-kristallisatieproces heeft Sommerdijk zich ook gebogen over de optimalisatie van de groeiomstandigheden. En dat blijkt verbazingwekkend ‘groen’ te kunnen. Vilaplana: “Voor magnetische kristalgroei is een relatief hoge temperatuur nodig en maken we gebruik van organische oplosmiddelen als drager-vloeistof. Maar nu blijkt dat met de juiste methode magnetiet ook gevormd kan worden bij kamertemperatuur en in een waterig milieu. Goed nieuws.”
Ioniqa-directeur Tonnis Hooghoudt onderstreept het belang van groene technologie, maar ook van de samenwerking met de TU/e: “Onze klanten vragen in toenemende mate om groenere en duurzamere technologieën. Mede dankzij dit fundamentele stuk onderzoek kunnen we ons productieproces ‘vergroenen’ en verder optimaliseren. Het is als bedrijf goed om de samenwerking met de universiteit te zoeken en voordeel te halen uit elkaars expertises. In ons geval kunnen we daardoor op een grotere schaal én milieuvriendelijkere manier vernieuwende magnetische smart materials leveren.” En zo groeien de kristallen straks niet alleen in een bekerglas, maar ook in een honderdlitertank.
Discussie