Nederlandse Harvard-wetenschapper maakt prachtige microscopische bloemen op nano-niveau

Als mens hoef je niet altijd iets te kunnen zien om het te geloven. Eeuwenlang hebben wetenschappers geprobeerd om de geheimen van het onzichtbare bloot te leggen in experimenten van een steeds kleinere schaal. Het is het soort kat-en-muis-spel waaraan de mensheid veel van de fundamenten van moderne wetenschap te danken heeft. Denk bijvoorbeeld aan Antonie van Leeuwenhoek en Robert Hooke, die beiden een eigen microscoop ontwikkelde om celstructuren bloot te leggen. Of de Duitse natuurkundigen Max Knoll en Ernst Ruska, die in 1931 de eerste versie van een elektronenmicroscoop maakten om de wereld van bacteriën en microben te onderzoeken.

Ook vandaag de dag is de wetenschap bezig de grenzen van het zichtbare en het onzichtbare op te rekken. Niet alleen door gebruik te maken van steeds krachtigere elektronenmicroscopen, maar ook door kunst te creëren die zich onder die lens afspeelt. Via een combinatie van chemicaliën, geraffineerde labtechnieken en innovatieve optische technologie, zijn twee Harvard-wetenschappers nu bezig ingewikkelde kristalstructuren te maken die lijken op delicate, organische bloemen.

Voor onze documentaire over de nano-bloemen zochten we de Nederlandse Wim Noorduin op, een postdoctorale onderzoeker en “chemie-botanist,” die in zijn onderzoek wordt bijgestaan door Harvard-scheikunde professor Joanna Aizenberg.

“De laatste drie jaar zijn we bezig geweest om te onderzoeken hoe we door de omstandigheden waarin kristallen zich vormen te manipuleren microstructuren kunnen ontwikkelen," vertelt Noorduin aan The Creators Project. "Ik ben erachter gekomen hoe je scheikunde kunt combineren om kristallen vorm te geven terwijl ze groeien. Ik zie het als een fundamenteel doel op zich om te begrijpen hoe op zo'n kleine schaal structuren met zo'n hoge mate van complexiteit kunnen vormen. En van daaruit kun je beginnen om te proberen te begrijpen hoe de natuur al die fascinerende structuren maakt."

Zie hieronder enkele van Noorduin’s Secret Garden-waardige labcreaties:

Het werk van de twee onderzoekers is letterlijk een poging om iets uit niets te maken. “Iedere structuur heeft ongeveer de diameter van een haar […] De kristallen zijn zo klein, en worden bijeengehouden door een amorfe materiaal dat in theorie iedere vorm kan aannemen.” “Voor deze structuren mixen we twee basismaterialen,” legt Noordduin uit. “Zodra ik dat doe, begint de chemische reactie en wachten we twee uur. We zijn nu in staat om via die chemische reacties allerlei vormen te creëren. Het feit dat we bijvoorbeeld nu al een bloem in twee uur kunnen maken zorgt ervoor dat we heel veel kunnen experimenteren en snel kunnen leren.”

“Ik heb in de loop der jaren duizenden van deze samples gemaakt, en ik heb veel geëxperimenteerd met hoe je de structuren op elkaar kunt zetten en vorm kunt geven terwijl ze groeien,” legt Noorduin uit. “Je komt er dan vanzelf achter wat esthetisch werkt en wat niet. Ik heb daarin een soort stijl ontwikkeld waarbij de meeste structuren op bloemen begonnen te lijken."

Noorduin en zijn collega stellen dat deze ontwikkelingen in nano-kristal-architectuur compleet nieuwe vragen oproepen voor scheikundigen, natuurkundigen en engineers. "Kun je bijvoorbeeld een morsecode op een bloem schrijven?" vraagt hij zich af. "Of lukt het om een koraal precies op de stam te zetten? Voor mij gaat het erom om de grenzen te verleggen en steeds uitdagendere structuren te bouwen."

The Creators Project sprak ook met Joanna Aizenberg, een scheikundeprofessor aan de Harvard University, en een van Noorduin’s grootste supporters. “Fundamentele wetenschap is belangrijk. Zonder deze basale kennis zullen we nooit in staat zijn om straks de structuren, materialen en complexe systemen van de apparaten van de toekomst te maken."

Aizenberg filosofeerde vervolgens verder waarom het belangrijk is om deze minuscule structuren niet alleen wetenschappelijk kloppend te maken, maar ook artistiek:

Het interessante aspect van deze interactie is de afweging van schoonheid, een afweging van artistieke waarde. Als we nieuwe structuren en materialen ontwerpen, is het absoluut noodzakelijk ook aandacht te schenken aan het esthetische voorkomen. […] We gebruiken een modelsysteem. Het hoeven niet perse deze materialen te zijn. Het gaat om de eenvoud van de combinatie die ons helpt het ontstaan van vorm te doorgronden, het ontstaan van de rondingen, de complexe hiërarchische architecturen. 

Stel je voor: labcreaties met de individuele complexiteit van een vingerafdruk. We hebben gezien hoe een kasteel op een enkele zandkorrel is geëtst, maar nano-bloemen op het gezicht van een munt? We zijn onder de indruk:

Afbeeldingen met dank aan de kunstenaar