Nederlandstalige samenvatting

Alle verhalen eindigen gelukkig, als je maar op tijd stopt.

De eigenschappen van veelvoorkomende materialen, zoals plastic of hout, zijn lastig te verklaren als we alleen de moleculen en atomen waaruit het materiaal bestaat bekijken; een puur reductionistische aanpak werkt simpelweg niet. In plaats daarvan moeten we de interactie tussen alle componenten in een materiaal in beschouwing nemen: onverwachte eigenschappen kunnen namelijk ontstaan door het collectieve gedrag van het systeem. Dit zogenaamde emergente gedrag zien we vaak terug in ons dagelijks leven: fenomenen als het samenzwermen van vogels, het ontstaan van files, en zelfs ons bewustzijn, zijn lastig of onmogelijk te verklaren aan de hand van alleen de eigenschappen van de individuele componenten van een systeem. Zelfassemblage is een bijzonder interessant voorbeeld van een emergent fenomeen, en het onderwerp van dit proefschrift. Zelfassemblage vindt plaats als bouwstenen zich spontaan op een bepaalde manier ordenen, in bijvoorbeeld een specifiek patroon. Zelfs zeer simpele bouwstenen kunnen zich op zeer ingewikkelde manier ordenen. Colloïdale deeltjes zijn een goed voorbeeld - dit zijn simpele balletjes van tussen de 10 nanometer en 10 micrometer in doorsnede, typisch gemaakt van plastic - maar samen kunnen ze allerlei structuren aannemen. Afhankelijk van de omstandigheden (typisch door de deeltjes elkaar een beetje aan te laten trekken, bijna als magneetjes) kunnen ze zich ordenen in zeer regelmatige colloïdale kristallen, zoals je ziet in sommige edelstenen, waaronder opalen. Onder andere omstandigheden kunnen zich totaal andere structuren vormen, zoals willekeurig geordende netwerken, zogenaamde colloïdale gels, die je terugziet in veel cosmetica.

In de afgelopen jaren is er veel vooruitgang gemaakt in het produceren van colloïdale deeltjes, en we hebben meer controle over deeltjessamenstelling en -vorm dan ooit. Computersimulaties lijken erop te wijzen dat colloïdale deeltjes die op een beperkt aantal manieren aan elkaar kunnen plakken zich kunnen assembleren in materialen met interessante materiaaleigenschappen. Door de deeltjes aan te passen kunnen we de materiaaleigenschappen dan ook makkelijk veranderen. Een type colloïdaal deeltje dat deze voorspellingen wellicht waar kan maken zijn zogenaamde lappendeeltjes (patchy particles in het Engels). Deze lappendeeltjes hebben “lapjes” op hun oppervlak, gemaakt van een ander materiaal als de rest van het deeltje. Met behulp van de zogenaamde kritische Casimir kracht kunnen we de lapjes elkaar laten aantrekken. Dit leid tot een situatie waarin de lappendeeltjes zich min of meer gedragen als atomen: ze hebben een vast maximaal aantal deeltjes die zich aan elke deeltje kunnen binden, en alleen in specifieke richtingen.

Helaas blijft het bouwen van complexe structuren met behulp van lappendeeltjes erg uitdagend. Niet alleen is het maken van deeltjes met de juiste eigenschappen lastig, maar de assemblage zelf blijkt ook erg moeilijk. In dit proefschrift neem ik een aantal grote stappen op dit gebied. Ik bouw een aantal structuren, zowel grote als kleine, zowel geordend als ongeordend. Ik gebruik optische microscopie om de structuren en hun vorming, rijping en dynamica te bestuderen, door zoveel mogelijk bij te houden waar elk deeltje is, en met welke andere deeltjes het gebonden is.

In hoofdstuk 3 beschrijf ik experimenten waarin ik lappendeeltjes laat assembleren zodat zich kleine structuren vormen die dezelfde bindingsgeometrie hebben als moleculen. Deze zogenaamde colloïdale moleculen, bestaande uit lappendeeltjes met twee of vier lapjes, ondergaan soms dezelfde transformaties als hun atomaire tegenhangers. Vooral colloïdaal cyclopentaan, een ring van vijf deeltjes, vertoont gedrag dat verdacht veel lijkt op atomair cyclopentaan, een ring van vijf koolstofatomen: niet alleen hebben de twee analogen dezelfde kreukels, de conversie tussen twee typen kreukels vindt in beide gevallen plaats via hetzelfde mechanisme, de zogenaamde pseudorotaties. Daarnaast heeft een oppervlakte in de buurt van colloïdaal cyclopentaan een katalytisch effect: het bevorderd het uiteenvallen van het colloïdaal molecuul. Een vergelijkbaar effect bestaat in atomair cyclopentaan. Deze observaties tonen aan dat een colloïdaal modelsysteem onder bepaalde voorwaarden gebruikt kan worden om complex moleculair gedrag te onderzoeken.

In hoofdstuk 4&5 laat ik lappendeeltjes met vier lapjes assembleren, maar nu in veel grotere bouwwerken. We dwingen de bouwwerken om zich in twee dimensies te ontwikkelen, door één van de vier lapjes te laten binden aan het oppervlakte van het glazen buisje, waar de colloïden in zitten. We zien dat drie verschillende structuren zich kunnen vormen, afhankelijk van de deeltjesdichtheid en de aantrekkingskracht tussen de lapjes. Ten eerste vormt zich een honinggraatkristal, colloïdaal grafeen, dat gevormd word door zich herhalende zeshoeken, waar elke hoek word gevormd door één deeltje dat drie andere deeltjes bind. In hoofdstuk 4 bestuderen we de groei, defecten, en dynamica van colloïdaal grafeen, omdat dat potentieel interessant is om atomair grafeen beter te begrijpen: atomair grafeen is lastig te observeren gedurende de assemblage. Ten tweede vinden we een amorf netwerk - een fase waarin elk lappendeeltje nog steeds zoveel mogelijk aan drie andere deeltjes bind, maar waar niet alleen zeshoeken, maar ook vijf- en zevenhoeken worden gevormd. Ten slotte vinden we een driehoekig kristal, waarbij elk deeltje door zes andere deeltjes word omringt, maar slecht aan drie deeltjes gebonden is door middel van lapjes. In hoofdstuk 5 bekijken we hoe deze drie fases zich onderscheiden, en wat de reden is dat ze überhaupt gevormd worden.

In hoofdstuk 6 beschrijf ik ten slotte de vorming van een netwerk bestaande uit deeltjes die elk twee andere deeltjes binden, en deeltjes die elk drie andere deeltjes binden. Dit netwerk is een zogenaamde evenwichtsgel, en heeft een aantal eigenschappen die niet voor de hand liggen. Waar de eigenschappen van een ‘normale’ gel altijd afhangen van hoe het gemaakt is, is dat niet het geval in een evenwichtsgel - het verleden van een evenwichtsgel is niet van invloed op zijn eigenschappen. Bovendien kunnen we het Flory-Stockmayer model gebruiken om de eigenschappen van de gel te voorspellen (na een kleine correctie).

De simpele bindingsgeometrie van koolstofatomen staat aan de basis van materialen met zeer verschillende eigenschappen, van hout tot diamant. In dit proefschrift heb ik geprobeerd om de eerste stappen te zetten op een vergelijkbaar pad: we hebben assemblage van lappendeeltjes experimenteel verkend, en laten zien hoe deze deeltjes in een grote variatie aan structuren kunnen assembleren. De continue verbetering in de synthese van lappendeeltjes en de daaraan gerelateerde verbreding van het aantal structuren dat gevormd kan worden met die deeltjes, laat zien dat onze controle over de microscopische wereld elke dag beter word. Dit proefschrift moet gezien worden als een eerste uitstapje in een wereld waarin precies-controleerbare materiaaleigenschappen werkelijkheid kunnen worden. Toekomstige ‘colloïdale architecten’ zijn wellicht even handig in het controleren van materiaaleigenschappen als de natuur dat is: met precieze controle over de bouwstenen van een materiaal, komt de precieze controle over het materiaal.