Verfmoleculen als verklikkers in zachte materialen
Tussen vaste stoffen en vloeistoffen zit een hele wereld. Over
die vreemde wereld, die van de zachte materie, is nog niet veel
bekend. Moleculair fysicus prof.dr. Michel Orrit, heeft dus een
missie. Daarvoor heeft hij een Advanced Grant van de European
Research Council gekregen.
Afbeelding: Fluorescerende moleculen in glycerol dat onder het
smeltpunt gekoeld is. Kleurveranderingen geven omwentelingen
van de moleculen aan.
Leidende onderzoekers
Vorige week maakte de ERC de winnaars bekend van deze Advanced
Grants in het onderzoeksgebied Physical Sciences and
Engineering. De Advanced Grant is een nieuwe en zeer
prestigieuze subsidie voor leidende onderzoekers in Europa.
Negen wetenschappers aan Nederlandse universiteiten of
onderzoeksinstituten kregen de subsidie toegekend, op een
Europees totaal van 105. Twee van de negen zijn hoogleraar in
Leiden: naast fysicus Orrit ook sterrenkundige Marijn Franx.
Ketchup
Zachte materie, de soft condensed matter, zijn complexe
vloeistoffen, bijvoorbeeld glasvormende vloeistoffen als
polymeren, `gewoon' glas of glycerol. Maar ook zijn het
mengsels van vaste stoffen en vloeistoffen, zoals ketchup of
mayonaise, die van substantie veranderen als ze onder druk
komen te staan. Maar dat doen ze niet allemaal op dezelfde
manier.
Drijfzand
Orrit: `Je hebt bijvoorbeeld de drijfzandvariant en de
maïzenavariant. In drijfzand zak je weg als je erop gaat staan.
Maar als je een zwembad vult met een pap van maïzena en water
kun je erover lopen.'
Industrie
Nieuwe fundamentele kennis over de zachte materie is van groot
belang voor verschillende bedrijfstakken, zoals de
voedselindustrie en de farmaceutische industrie, die graag
willen weten hoe een substantie aanvoelt, of hoe goed twee
stoffen kunnen mengen. Een kenmerk van al die materialen is dat
ze zeer heterogeen van substantie kunnen zijn. Deze
heterogeniteit is nog niet goed begrepen.
Fluorescerende verfmoleculen
Vooral interessant blijken de relaties tussen het gedrag van
deze materialen op macroscopisch en op microscopisch niveau.
Met dat laatste houdt Orrit zich bezig. Hij maakt daarbij
gebruik van losse fluorescerende verfmoleculen, die hij als een
soort verklikkertjes in doorzichtige complexe materialen
inbrengt, waarna hij met een lichtmicroscoop bekijkt hoe ze
zich gedragen in het materiaal, en welke weerstand ze op welke
plek ondervinden.
Kloof
Zijn onderzoek zit tussen de scheikunde en de natuurkunde in.
Orrit: `Fysici bestuderen de eigenschappen van materialen op
basis van macroscopische waarnemingen, en laten daar
ingewikkelde statistiek op los. Chemici kijken naar wat
moleculen doen. Daartussen zit een kloof, en die wil ik
overbruggen.' Zijn methode, om enkele moleculen als een soort
spionnen los te laten in zachte stof met een grillige en
wisselende substantie, ziet hij als een missing link, die veel
doorslaggevende informatie moet opleveren.
Afbeelding: Michel Orrit
Glasvorming
Eerder dit jaar wierp hij met fluorescerende moleculen licht op
het proces van glasvorming, dat Nobelprijswinnaar Phil Anderson
in 1995 `the deepest and most interesting unsolved problem in
solid state theory' noemde. Orrit nam twee moleculaire
glasvormers onder de loep. Een daarvan was het in iedere
apotheek bekende glycerol. Met zijn collega's toonde hij
onomstotelijk aan dat glycerol bij koeling al ver boven de
zogenoemde glastemperatuur een vaste stof wordt, maar dan
doorspekt met holtes die met vloeistof zijn gevuld.
Vloeistofholtes
In deze vloeistofholtes konden de verfmoleculen veel
gemakkelijker rondtollen dan in de vaste gebieden van de stof,
ontdekte hij. Deze observatie was tamelijk revolutionair, en
ging in tegen de heersende opvatting dat glasvormende
materialen bij koeling onder het smeltpunt langzamerhand steeds
stroperiger worden, maar wel vloeistoffen blijven, tot ze, bij
de zogenoemde glastemperatuur, in één keer stollen tot een
vaste stof.
Actieradius
Met zijn ERC-subsidie wil Orrit nog veel meer te weten komen
over moleculaire glasvorming. Hoe groot zijn die
vloeistofmeertjes bijvoorbeeld? Met andere woorden: wat is de
actieradius van de verfmoleculen? En wat is de vorm van de
holtes? Hoe lang blijven ze bestaan, en waar is dat van
afhankelijk? Hoe reageren ze op krachten van buiten? Zijn
hypothese is dat glycerol bij onderkoeling een soort raamwerk
wordt van microscopisch kleine dijkjes die microscopisch kleine
meertjes omringen.
Wrijving
`Als we weten of deze hypothese klopt, en nog verfijndere
mechanische en microscopische trucs hebben om hem te testen,
kunnen we de nieuwe kennis en technieken gaan toetsen in
macroscopische materialen', zegt hij. `Bijvoorbeeld op wrijving
tussen de oppervlakken van twee vaste stoffen bij
kamertemperatuur.'
Goud
Twee aio's, twee postdocs en een technicus moeten hem gaan
helpen nieuwe technieken en opstellingen te bedenken.
Bijvoorbeeld een microscopisch klein apparaatje waarmee hij
zijn materiaal onder druk kan zetten. Ook wil hij gaan
experimenteren met minuscule goudstaafjes als verklikkers.
Verfmoleculen hebben namelijk te lijden van licht, en zullen
uiteindelijk vervagen. Goud is een veel robuuster materiaal.
Nieuw onderzoeksgebied
Het onderzoeksgebied van de zachte materialen is in opkomst.
`Er ontstaan wereldwijd veel nieuwe groepen rond het thema',
zegt Orrit. `De ERC-grant komt dus precies op het goede
moment.'
Michel Orrit is sinds 2001 hoogleraar in de moleculaire fysica
aan de Universiteit Leiden. Hij werd geboren in Toulouse, en
studeerde natuurkunde in Parijs (Université Paris VI) en
behaalde zijn Doctorat de 3e Cycle en zijn Doctorat d'État aan
de Université tat Bordeaux I. Van 1984 tot 2001 was Orrit
verbonden aan het CNRS (Centre National de la Recherche
Scientifique) in Parijs
Zie ook
Workshop Lorentz Centre 25-8 t/m 5-9: Dynamic heterogeneities
in glasses, colloids, and granular media.
De onderzoeksgroep Molecular Nano-Optics and Spins in het Leids
Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION).
European Research Council
19/8/2008
Universiteit Leiden