Wir verwenden Cookies, um bestimmte Funktionen unserer Website zu ermöglichen und Zugriffe auf unsere Website zu analysieren. Wenn Sie auf unserer Website weitersurfen, stimmen Sie der Nutzung von Cookies zu. Mehr Informationen hierzu finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Ok

 

29.09.2011

Hoe nano kleur maakt

In de wereld der dwergen is licht onderworpen aan speciale wetten

Nanobuizen behoren tot de bekendste structuren binnen de nanotechnologie. Ze bestaan gewoonlijk uit koolstofatomen. Foto: wikipedia.org
Hoe nano kleur maakt

Nano is eigenlijk niet meer dan het Griekse woord voor "dwerg". Maar als voorvoegsel dat in de wetenschap staat voor "een miljardste", heeft het een complete tak van de technologie zijn naam gegeven: de nanotechnologie. Deze houdt zich bezig met een wereld die niet alleen onvoorstelbaar klein is, maar ook geheel eigen wetten en regels volgt. Dat beïnvloedt ook de kleuren: in de nanowereld is goud bijvoorbeeld niet goudgeel, maar rood of blauwviolet.

Een nanometer is klein, bijzonder klein zelfs. Als je een millimeter in één miljoen stukjes zou verdelen, zou elk van deze stukjes een nanometer lang zijn. Ook nanodeeltjes, de materialen waarmee de nanotechnologie werkt, hebben deze orde van grootte. Ze zijn er in vele vormen – als bolletjes, als minuscule buisjes of staafjes en als kristallen op miniatuurformaat – en van verschillende materialen, bijvoorbeeld van koolstof of metalen als goud, zilver en platina. Ze hebben zeer bijzondere eigenschappen, die we geleidelijk aan steeds beter beginnen te begrijpen en die de mini's onder andere tot veelbelovende entiteiten voor de geneeskunde en de ontwikkeling van nieuwe computers maken. Een van de eigenschappen van nanodeeltjes is daarentegen al eeuwenlang bekend: hun intensieve kleuren.

Deze zijn bijvoorbeeld te zien in kerkramen, waarvan het dieprode en violette glas vaak is ingekleurd met goudpurper – en dat heeft zijn kleur te danken aan fijnverdeelde gouddeeltjes met een grootte van een paar nanometer. Door de Romeinen werd er nog kundiger gebruik gemaakt van de minuscule metalen bolletjes, bijvoorbeeld bij de Lycurgusbeker, die tegenwoordig te bezichtigen is in Londen. Deze fraai bewerkte glazen bokaal heeft bij normaal daglicht een melkachtig groene kleur, maar wanneer er licht doorheen schijnt, verandert deze kleur in stralend rood. Het geheim: in het glas zijn zilver- en gouddeeltjes verwerkt met een diameter van ongeveer zeventig nanometer.

Maar "bekend" betekent in het geval van deze kleureffecten nog niet "begrepen". Zowel bij de Romeinen als in de middeleeuwen was weliswaar bekend, dat fijngewreven goud deze kleuren deed ontstaan, maar niet hoe. Dat werd pas halverwege de negentiende eeuw duidelijk dankzij de natuur- en scheikundige Michael Faraday. Hij ontdekte dat de schitterende kleuren inderdaad waren toe te schrijven aan puur goed – en niet aan een goudverbinding – en dat vooral de geringe grootte van de deeltjes verantwoordelijk was voor het kleureffect.

Terwijl zelfs de kleinste voorwerpen waarmee we in het dagelijks leven te maken hebben, nog veel groter zijn dan een lichtgolf, zijn nanodeeltjes met hun diameter van slechts een paar nanometer veel kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht, die 380 tot 750 nanometer bedraagt. Dit heeft gevolgen voor de relatie tussen het materiaal en de straling. Wanneer licht bijvoorbeeld op gouden nanobolletjes stuit, worden de elektronen in het metaal op grond van deze bijzondere relatie door het elektrische veld van het licht naar één kant geduwd. Op hetzelfde ogenblik probeert een compenserende kracht de gelijkmatige verdeling van de ladingen te herstellen. Daardoor gaat de elektronengroep heen en weer bewegen, waarbij deze een deel van het licht absorbeert en het tegelijkertijd extreem sterk verstrooit. Als gevolg hiervan verandert de kleur van het lichtaandeel dat het oog bereikt.

Welke kleur een oplossing van dergelijke goudkorreltjes heeft, hangt vooral af van de grootte van de deeltjes. Wanneer ze extreem klein zijn, kleuren ze zelfs sterk verdunde oplossingen intensief rood. Zijn ze iets groter, dan gaat de kleur eerder in de richting van blauwviolet. Maar ook de afstand tussen de deeltjes – en daarmee hun concentratie – en de vorm ervan spelen een rol.

Interessante effecten worden bijvoorbeeld verkregen, wanneer de deeltjes niet bolvormig zijn, maar staaf- of buisvormig. Dan wordt de kleur van een oplossing namelijk ook nog bepaald door de verhouding tussen de lengte en de diameter van de deeltjes – en door de hoek waaronder ze worden bekeken. Dergelijke oplossingen kunnen dan in plaats van rood of blauwviolet ook zomaar geel of oranje zijn.

Een vergelijkbaar kleurenspectrum komt echter slechts bij enkele materialen voor. Behalve bij goud is dit alleen het geval bij zilver, koper en sommige familieleden van het alkalimetaal natrium. Maar als het aanwezig is, kunnen er interessante dingen mee worden gedaan – zoals het opsporen van kankercellen of virussen. Wanneer zulke nanodeeltjes namelijk worden uitgerust met een soort zoekapparaat en in een bloedmonster worden gedaan, koppelen ze zich doelgericht aan kwaadaardige cellen of vreemde ziektekiemen en maken ze deze door hun intensieve kleuren zichtbaar.

Met nanodeeltjes kan er ook een miniatuurlineaal worden gemaakt, want wanneer twee nanodeeltjes elkaar heel dicht naderen, worden deze door de trilling van hun elektronen aan elkaar gekoppeld. Daardoor veranderen de eigenschappen van de trilling en daarmee ook de wisselwerking met het licht. De kleur van een oplossing die nanodeeltjes bevat, is afhankelijk van de afstand tussen de deeltjes. Indien dus de grootte, de vorm en de eigenschappen van de deeltjes bekend zijn, kan uit de kleur worden afgeleid hoe groot hun onderlinge afstand is.

De meeste van deze sterk variërende ideeën zijn nog niet naar de praktijk vertaald. Daarvoor moeten eerst de bijzonderheden van de nanowereld nog beter worden begrepen. Het enige wat we in de tussentijd kunnen doen, is de effecten bewonderen die ook met het blote oog waarneembaar zijn – zoals de kleur van goudpurper in oud glas.