Atomen in superresolutie

De Antwerpse onderzoeker Dirk Van Dyck beschrijft deze week in Nature een nieuwe methode om de positie van individuele atomen met een uitzonderlijk hoge resolutie en in drie dimensies te bepalen. De techniek biedt mogelijkheden voor de studie van materiaaleigenschappen.

De nieuwe methode – Big Bang Tomografie – gebruikt elektronenmicroscopie om atomen in een materiaal met elektronen te beschieten. Bij de interactie met een atoom splitst de elektronengolf in golfjes die elk hun eigen weg gaan. Door de fasesnelheid en -afstand van die deelgolfjes te bepalen, kan de exacte positie van het atoom berekend worden. De techniek heeft een zogenaamde sub-ångström resolutie, of een tienmiljardste van een meter. 

Het principe is analoog met het Big Bang principe uit de kosmologie, dat astronomen gebruiken om afstanden tot andere sterrenstelsels te berekenen. Verre sterrenstelsels vliegen steeds verder weg van ons, en van elkaar, aan een snelheid die in verhouding is met hun afstand tot de aarde. Eenvoudiger gezegd: hoe verder de sterrenstelsels van onze aarde zijn verwijderd, hoe sneller ze bewegen. De snelheid van de sterrenstelsels kan berekend worden door het Dopplereffect, dat het licht van de sterrenstelsels naar het rode gedeelte van het lichtspectrum drukt. Uit die snelheid volgt dan de afstand.

Dirk Van Dyck en een collega uit Taiwan konden met hun methode de locatie van alle atomen in een stuk grafeen - dat bestaat uit twee lagen atomen - nauwkeurig bepalen. De werkwijze heeft mogelijk een grote impact op de studie van materiaaleigenschappen. Dirk Van Dyck: ‘De positie van de atomen bepaalt in grote mate welke eigenschappen een materiaal heeft. Wie de ligging van die atomen kan achterhalen, verkrijgt dus een belangrijk inzicht in de verbetering van een bepaalde materie. Kristallen hebben op dat vlak nog maar weinig geheimen voor de wetenschap. Amorfe structuren vormden tot voor kort een ander, veel complexer verhaal.‘

Voor Van Dyck houdt de aanpak ook een nieuwe uitdaging in. ‘Van liefst 90% van alle proteïnen die de basis vormen van levende materie kon tot dusver de atomaire structuur nog niet bepaald worden. Daar wil ik nu verder onderzoek naar voeren.’ (kv)