Plattform av guld avslöjar krafterna i naturens osynliga klister

https://mb.cision.com/Public/5569/4251945/8fd7e7524a263f29_800x800ar.jpg

När damm fastnar på en yta eller en ödla sitter i taket beror det på ”naturens osynliga klister”. Nu har forskare på Chalmers upptäckt ett snabbt och enkelt sätt att studera de dolda krafter som binder samman de allra minsta objekten i universum. Med hjälp av guld, saltvatten och ljus har de skapat en plattform där krafterna får bekänna färg.

I labbet på Chalmers visar doktoranden Michaela Hošková en glasbehållare fylld med miljontals mikrometerstora guldflagor i en saltlösning. Med en pipett tar hon upp en droppe av lösningen och låter den landa på en guldbelagd glasskiva placerad i ett optiskt mikroskop. Det som händer är att guldflagorna i saltlösningen genast dras mot underlaget, men lämnar nanometerstora optiska utrymmen mellan sig och guldplattformen. Hålrummen som skapas i vätskan fungerar som resonanslådor, där ljuset studsar fram och tillbaka och visar färger. När mikroskopets halogenlampa belyser plattformen och en spektrometer separerar våglängderna, går ljusets olika färger att läsa av. På datorskärmen, som är kopplad till labbutrustningen, går det nu att se hur mängder av flagor rör sig och skiftar i färger som rött och grönt mot den guldgula bakgrunden. 

Studerar ”naturens klister” genom minimala hålrum

– Det vi ser är hur grundläggande krafter i naturen samspelar med varandra. Genom de små hålrummen kan vi nu mäta och studera de krafter vi kallar ”naturens klister” – det som binder samman objekt på de allra minsta skalorna. Vi behöver inte ingripa i vad som sker, vi iakttar bara de naturliga rörelserna hos flagorna, säger Michaela Hošková, doktorand vid institutionen för fysik på Chalmers och förstaförfattare till den vetenskapliga artikel i tidskriften PNAS där plattformen presenteras.

Genom ljuset som fångas i håligheterna kan forskarna studera den känsliga balansen mellan två krafter – en som drar de små objekten mot varandra och en som håller dem isär. Den sammanfogande kraften, Casimireffekten, gör att guldflagorna kopplar ihop sig med varandra och underlaget. Den andra, elektrostatiska kraften, uppstår i saltvattenlösningen och motverkar att flagorna klibbar ihop helt med underlaget. När de två krafterna balanserar varandra, uppstår något som kallas för självmontering. Det är hålrummen som skapas i processen som öppnar de nya forskningsmöjligheterna.

– Krafter på nanoskalan påverkar hur olika material eller strukturer byggs ihop, men vi förstår fortfarande inte alla principer som styr denna komplexa självmontering. Om vi förstår dem fullt ut, kan vi lära oss att kontrollera självmontering på nanoskalan. Samtidigt kan vi få insikter i hur samma principer styr naturen på mycket större skalor, till och med om hur galaxer tar form, säger Michaela Hošková. 

Guldflagor blir till flytande sensorer

Chalmersforskarnas nya plattform är en vidareutveckling av flera års arbete inom professor Timur Shegais forskargrupp vid institutionen för fysik. Från att för fyra år sedan ha gjort upptäckten att nano-guldflagor kan självmontera i en saltvattenlösning, har forskarna nu alltså utvecklat en metod för att studera olika fundamentala krafter.

Forskarna tror att plattformen, där de självmonterade guldflagorna agerar som flytande sensorer, kan komma till nytta inom många olika vetenskapliga områden, som fysik, kemi och materialvetenskap.

– Metoden låter oss studera laddningen hos enskilda partiklar och krafterna som verkar mellan dem. Andra metoder för att studera dessa krafter kräver ofta avancerade instrument, som inte kan ge information ända ner på partikelnivå, säger forskningsledaren Timur Shegai.

Kan ge ny kunskap om alltifrån läkemedel till biosensorer

Ett annat sätt att använda plattformen, som är viktigt för utvecklingen av många teknologier, är för att få bättre kunskap om hur enskilda partiklar interagerar i vätska och antingen håller sig stabila eller tenderar att fastna i varandra. Det kan ge nya insikter om mediciners väg genom kroppen, eller hur man kan tillverka effektiva biosensorer, eller vattenfilter. Men det är också viktigt för olika vardagsprodukter som man inte vill ska klumpa ihop sig, exempelvis kosmetika.

– Att plattformen gör det möjligt för oss att studera fundamentala krafter och materialegenskaper visar dess potential som en verkligt lovande forskningsplattform, säger Timur Shegai.

I labbet öppnar Michaela Hošková en ask som innehåller ett färdigt exemplar av plattformen. Hon lyfter den med en pincett och visar hur lätt den kan placeras i mikroskopet. Mellan två tunna glasskivor ryms allt som behövs för att studera naturens osynliga klister.

– Det jag tycker är allra mest spännande är att själva mätningen är så vacker och lätt. Metoden är enkel och snabb och bygger bara på guldflagornas rörelser och interaktionen mellan ljus och materia, säger Michaela Hošková och låter mikroskopet zooma på in på en guldflaga, vars färger omedelbart avslöjar vilka krafter som är i spel.

Bildtext (till bilden i topp): Forskare på Chalmers har upptäckt ett snabbt och enkelt sätt att studera de dolda krafter som binder samman de allra minsta objekten i universum.
Foto: Chalmers tekniska högskola | Mia Halleröd Palmgren

Alla pressbilder och video kan laddas ner via den här länken. 

https://mb.cision.com/Public/5569/4251945/ad471971fbd44d76_800x800ar.jpg

Illustration: Chalmers tekniska högskola | Michaela Hošková
 

Så undersöker forskarna ”naturens osynliga klister”

Guldflagor som är ungefär 10 mikrometer stora placeras i en behållare fylld med saltlösning, det vill säga vatten som innehåller fria joner. När en droppe av lösningen placeras på en glasskiva belagd med guld dras flagorna naturligt mot underlaget och nanometerstora hålrum (100–200 nanometer) uppstår. Självmonteringen sker tack vare en känslig balans mellan två krafter: Casimirkraften, en direkt mätbar kvanteffekt som får objekt att dras till varandra, och den elektrostatiska kraft som uppstår mellan laddade ytor i en saltvattenlösning.

När en enkel halogenlampa belyser de små håligheterna fångas ljuset inuti som i en fälla. I denna kan forskarna studera ljuset närmare med ett optiskt mikroskop kopplat till en spektrometer. Med hjälp av spektrometern separeras ljusets våglängder så att olika färger kan avläsas. Genom att variera salthalten i lösningen och övervaka hur flagorna ändrar avstånd mot underlaget, går det att studera och mäta de fundamentala krafter som är i spel. För att saltvattenlösningen med guldflagorna inte ska avdunsta innesluts droppen med guldflagor och saltvatten av en försegling och täcks sedan med ytterligare en skiva av glas.

Arbetet med att ta fram plattformen har utförts i Chalmers nanofabrikationslaboratorium, Myfab Chalmers, och i Chalmers materialanaylslaboratorium, CMAL.

Mer om forskningen:

Den vetenskapliga artikeln Casimir self-assembly: A platform for measuring nanoscale surface interactions in liquids har publicerats i PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences). Den är skriven av Michaela Hošková, Oleg V. Kotov, Betül Küçüköz och Timur Shegai, vid institutionen för fysik på Chalmers tekniska högskola, och Catherine J. Murphy, vid institutionen för kemi, University of Illinois, USA.

Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vinnovacentrumet 2D-Tech och Chalmers tekniska högskolas styrkeområde Nano.

​​​https://mb.cision.com/Public/5569/4251945/a6f5f41d5cc0cd1b_800x800ar.jpg

​​​För mer information, kontakta:

Michaela Hošková, doktorand, institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola, hoskova@chalmers.se

Timur Shegai, biträdande professor, institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola,  timurs@chalmers.se, 031 772 31 23

Michaela Hošková talar engelska och tjeckiska. Timur Shegai talar engelska, svenska och ryska.  

På Chalmers har vi poddcast-studior och filmutrustning på plats och kan bistå förfrågningar om tv-, radio- eller poddintervju.