Gouden nanodeeltjes zijn al veel onderzocht en toegepast, maar minder bekend is wat er precies op het goudoppervlak gebeurt met de altijd aanwezige liganden. Met elektronenmicroscopie (EM) zie je de nanodeeltjes namelijk prima, maar de kleine, lichte elementen als koolstof zijn daarmee moeilijk te visualiseren. ‘Daarnaast gebeurt het meeste EM-onderzoek in hoog vacuüm, terwijl dat geen realistische omgeving is voor die moleculen’, zegt Sara Bals, gewoon hoogleraar van het Departement Fysica aan de Universiteit van Antwerpen. De groep van Bals besloot daarom in samenwerking met Spaanse onderzoekers om het nóg uitdagender te maken, door die oppervlaktemoleculen in vloeistof te bekijken met transmissie-EM (TEM).

Dat deden ze door ‘envelopjes’ te maken van grafeen. ‘De vloeistof met de goud-nanodeeltjes en liganden vingen we tussen twee laagjes grafeen’, legt Bals uit. ‘Het voordeel aan grafeen is dat het een ééndimensionaal laagje koolstof is; dat veroorzaakt slechts een verwaarloosbaar achtergrondsignaal in de TEM. Daarnaast zorgen de goede thermische en elektrische geleiding van grafeen ervoor dat de elektronenbundel vrijwel geen schade berokkent aan de liganden.’ De envelop-structuur zorgt ervoor dat de hoeveelheid vloeistof tussen de laagjes beperkt is, zodat die het toch al zwakke signaal van de oppervlaktemoleculen niet verder verstoort. ‘Het was technisch heel goed op punt gezet en het leidde tot nieuwe inzichten op materiaalkundig gebied.’

Chiraal

Die inzichten zijn vooral fundamenteel van aard. In de literatuur was het namelijk nog niet helemaal duidelijk hoe de structuur van de oppervlaktemoleculen eruit zag. Met het onderzoek van Bals en collega’s is dat begrip nu zeer sterk verbeterd. ‘Maar nu kunnen we verder gaan’, vertelt Bals enthousiast. ‘We zijn nu bezig met de ontwikkeling van chirale nanodeeltjes, dus hoe je chiraliteit kunt overdragen van moleculen op anorganische materialen.’

Bals laat een plaatje van een nanodeeltje zien dat niet recht, maar gedraaid is, bijna als een DNA-helix. ‘Onze Spaanse coauteurs kunnen nu dit soort chirale nanodeeltjes laten groeien door chirale oppervlaktemoleculen te gebruiken’, vervolgt Bals. ‘Maar hoe gebeurt dat precies? Dat is de volgende stap voor de methodologie die we nu gepubliceerd hebben. Begrijp je de groei, dan kun je chiraliteit beter sturen en dat leidt weer tot sterkere interacties tussen chirale anorganische materialen en chirale organische moleculen.’

Hoogtepunt

Het werk vroeg veel van het team. ‘Er moesten heel veel stappen geoptimaliseerd worden en er was heel veel geduld nodig om elke parameter goed af te stellen. Dus ik heb veel bewondering voor de mensen die het onderzoek in het labo uitvoeren.’ Heel bijzonder voor Bals – ze pakt er een filmpje bij – was het vastleggen van hoe een micel van oppervlaktemoleculen zich om een nanodeeltje heen beweegt en deel gaat uitmaken van de schil van liganden. ‘Dat we dat moment gevat hebben, dat was echt een hoogtepunt.’

Dat Nature Chemistry het onderzoek heeft gepubliceerd doet Bals veel goed. ‘Het is de perfecte afsluiter van mijn ERC Consolidator Grant-project RealNANO dat ik in 2018 indiende. Daarin wilden we kijken naar nanomaterialen onder realistische condities.’ In plaats van de artificiële condities die zich normaal in een EM bevinden – dus kamertemperatuur en onder hoog vacuüm – bekeek Bals materialen in de gasomgeving bij een hoge temperatuur. ‘Ik had al snel besloten om een vloeistofomgeving achterwege te laten vanwege de hoge moeilijkheid; we deden de nanodeeltjes al in de plasmacleaner zodat we niet hoefden na te denken over de liganden.’

Gaandeweg begon het echter toch te knagen. ‘Échte structuren van liganden kun je niet in een vacuüm meten, dat móet in vloeistof’, zei ze tegen zichzelf. ‘Het was ook het laatste onderdeel uit het project, dus we moesten het wel doen om het te vervolmaken. Ook al ging het op een manier die veel uitdagender was dan eerst gedacht, ben ik heel blij dat het allemaal toch gelukt is.’

Pedrazo-Tarjados, A., Claes, N., Wang, D. et al. (2024) Nat. Chem. DOI: 10.1038/s41557-024-01574-1