Moeilijk te karakteriseren oppervlakken in emulsies zijn met een microscopietruc en de computer alsnog zichtbaar te maken, ontdekte materiaalwetenschapper Antonio Aloi aan de TU/e.

Superresolutiemicroscopie is een ware revolutie geweest voor de blik op alle materialen. Nou ja: bijna alle. Hoewel de techniek het plots mogelijk maakte om eiwitten, polymeren en andere moleculen zonder fixatie op nanoschaal te bekijken, leunt de methode doorgaans op labels met covalente bindingen – en niet alle substanties staan dat toe. Het gevolg was dat niemand kon zien wat er zich op de oppervlaktes afspeelt van ‘zachte’ materialen als ijskristallen, luchtbellen en vloeistoffen.

Tot voor kort. Antonio Aloi, materiaalwetenschapper aan de TU/e, ontwikkelde samen met universitair hoofddocent Ilja Voets een manier om met superresolutiemicroscopen alsnog het geheime leven van zachte oppervlakken in kaart te brengen. ‘We kunnen nu gaan kijken naar hoe een emulsie instabiel wordt. Wáár in de oplossing gaat dat precies mis? Of hoe antivries-eiwitten precies ijskristallen in bedwang houden. Dat heeft nooit iemand gezien.’ Om deze vragen te beantwoorden, zet Aloi een nieuw ontwikkelde beeldtechniek in. In combinatie met superresolutiemicroscopie probeert hij antwoorden te vinden.

Nanolandschap

iPAINT heet de nieuwe beeldtechniek, en het bijzondere is dat Aloi daarmee alle nanostructuren binnen een zacht materiaal weet te verlichten. Daarvoor gebruikt hij kleine polymeren die elk zijn uitgerust met een fluorescerend kopje en graag tegen het oppervlak van grotere structuren plakken. De microscoop vangt het licht van de kopjes op en maakt er een digitale uitdraai van. En dat vijftigduizend keer, voor een hoge resolutie. ‘Eigenlijk krijgen we een stapel dwarsdoorsnedes met puntjes erin’, zegt Aloi. ‘Leg je die dwarsdoorsnedes in de computer bovenop elkaar, dan heb je een puntwolk: een driedimensionaal model van alle oppervlaktes in het materiaal.’

Dat model bouwen is data-analysetechnisch slechts een eerste stap: Aloi heeft ermee een vrij algemene topografische kaart van het nanolandschap in handen. Maar er valt veel meer informatie uit te halen, ontdekte hij. Bijvoorbeeld als er vezels in het zachte materiaal zitten, dan valt met deze techniek tevens iets over de mechanische eigenschappen van die vezels te zeggen. ‘We kunnen niet alleen de vezellengte berekenen, maar ook als het ware de ruggengraat van een vezel analyseren. Dat levert informatie op over de stabiliteit en stijfheid. Dus over hoe makkelijk zo’n vezel buigt.’

Virtueel balletje

Aloi waagt zich ook aan andere analytische trucs om emulsies te karakteriseren. ‘We gebruiken een gratis functie van MATLAB-software, die alpha-shape heet, waarmee we een virtueel balletje door de datapuntwolk laten rollen. Dan zien we waar het balletje in het driedimensionale model tussen past en waar niet, en tasten we precies af waar structuren beginnen en eindigen.’ Iets dat Aloi ‘echt geweldig handig’ noemt, want daarmee kan hij in emulsies aanwijzen waar deeltjes ophopen op de grensvlakken tussen water en olie – kwetsbare plekken voor instabiliteit.

‘Niemand heeft eerder gezien hoe een emulsie instabiel wordt’

Na Aloi’s promotie op 30 november blijft hij nog minstens een jaar aan als postdoc aan de TU/e om de mogelijkheden van iPAINT verder uit te buiten. Daarvoor zoekt groepsleider Voets op dit moment nieuwe studenten en promovendi die een blik gaan werpen op de manier hoe antivries-eiwitten voorkomen dat ijskristallen tot schadelijke proporties kunnen uitgroeien. Aloi vervolgt: ‘Dat was eigenlijk de vraag die ik wilde beantwoorden vier jaar geleden. Maar het duurt echt heel lang om de techniek op te zetten, zeker tweeënhalf jaar. Daarna hebben we vooral met de monsters zitten knutselen om te kijken wat er mogelijk was. We dreven langzaam af van de originele onderzoeksopzet, maar nu zijn we inmiddels klaar om met dit project te starten.’