Universiteit Leiden

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