Microdeeltjes scheiden met honderd jaar oud idee

afbeelding 1: Foto: TU Eindhoven/Bart van Overbeeke
afbeelding 2: De Brownse ratel van Smoluchowski. Een schoepenrad (rechts) is via een as verbonden met een wiel met een pal - de ratel. Luchtmoleculen botsen tegen de schoepen. Als het systeem in evenwicht is, botsen net zoveel moleculen tegen de ene kant van een schoep als tegen de andere kant en draait het wiel niet uit zichzelf. De ratel zou ervoor moeten zorgen dat het wiel wél één kant op draait: een netto Brownse beweging. Dat kan niet, stelt de thermodynamica. Je kunt geen energie onttrekken uit een systeem in evenwicht. De oplossing van Feynman was om het systeem uit zijn evenwicht te halen, bijvoorbeeld door het schoepenrad in een ruimte met een hogere temperatuur te plaatsen.

Deeltjes in een vloeistof worden voortdurend heen en weer geduwd door botsingen met de moleculen uit die vloeistof. Dat verschijnsel wordt de Brownse beweging genoemd. De Poolse fysicus Marian Smoluchowski ontwierp in 1912 een gedachte-experiment waarmee je de energie uit die botsingen kunt gebruiken om iets in beweging te zetten. Deze zogenoemde ‘Brownse ratel’ was echter in strijd met de natuurwetten, want het suggereerde dat een wiel uit het niets kon gaan draaien. De Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman bedacht vijftig jaar later een cruciale aanpassing, waardoor je de ratel écht kunt laten werken.

Elektronische ratel
Sinds een jaar of twintig bestaat de Brownse ratel niet alleen op papier, maar zijn veel varianten ervan experimenteel gerealiseerd. Op steeds meer terreinen blijkt deze ‘wetenschappelijke rariteit’ een nuttig instrument. Wijnand Germs van de onderzoeksgroep Molecular Materials and Nanosystems (M2N) aan de TU/e richtte zich in zijn promotieonderzoek op een Brownse ratel die polystyreenbolletjes van 300 en 500 nanometer groot kan laten bewegen.

Heuvellandschap
Zijn ratel omvat een zeer smal waterkanaaltje waarin de bolletjes zich bevinden. Onder het kanaal zijn slim vormgegeven elektroden aangebracht die een soort elektronisch heuvellandschap creëren. Als Germs de elektrische spanning uitzet, verspreiden de bolletjes zich door de botsingen met watermoleculen (Brownse beweging) in beide richtingen van het kanaal. Als hij vervolgens de spanning weer aanzet, worden de bolletjes in de dalen gevangen. Alleen is het heuvellandschap asymmetrisch, waardoor meer bolletjes in de ene richting gevangen worden dan in de andere. Netto zijn de bolletjes dan bewogen.

Medische zelftesters
Uit het onderzoek van Germs bleek dat de grootte van de bolletjes bepaalt hoe sterk deze beweging is. Dit type ratel kan daardoor ingezet worden om bolletjes – of moleculen in het algemeen – te scheiden op grootte. Dat kan van toepassing zijn in de momenteel in ontwikkeling zijnde medische zelftesters (lab-on-a-chips) waarin bloed, speeksel of urine in dunne microkanaaltjes wordt geanalyseerd. Maar ook bij de productie van nanodeeltjes is scheiden op grootte van belang.

Wijnand Germs promoveert woensdag 16 januari aan de TU Eindhoven op zijn proefschrift getiteld Moving charged particles in fluctuating and disordered energy landscapes. Zijn promotoren zijn prof.dr.ir René Janssen en prof.dr. Reinder Coehoorn. De copromotor is dr.ir. Martijn Kemerink.