Nanodeeltjes zorgen voor de kleurenpracht in middeleeuwse glas-in-loodvensters, maar ze verkleuren ook het streepje op je covidtest. Ze vormen mogelijk ook de basis voor revolutionair nieuwe medische behandelingen. Dat staken we op uit ons gesprek met Luis Liz-Marzán, scheikundige, nanodeeltjesexpert en kersvers eredoctor aan de UAntwerpen.
Beeld: UAntwerpen
Hoewel de naam nanodeeltjes soms wat modieus aandoet, dekt die wel zeer goed de lading van deze scheikundige en fysische entiteit. In regel zijn het deeltjes tussen één en enkele honderden nanometer groot (een nanometer is een miljardste van een meter). Daarmee bevinden nanodeeltjes zich in een eigen wereld, tussen die van de kleinere moleculen en die van de grotere, grovere partikels, zoals zandkorrels. Ze onderscheiden zich door hun bijzondere, unieke eigenschappen, die net het gevolg zijn van hun afmeting binnen het nanometergebied. Size matters dus, ook voor de met het blote oog onzichtbare nanodeeltjes.
Een van die bijzondere eigenschappen van nanodeeltjes is dat ze heel diepe, indringende kleuren kunnen produceren. Dit doen ze door licht in hun buurt te verstrooien en te manipuleren. De eigenschap ligt aan de basis van de kleurenpracht van luxueus gekleurd glaswerk uit de oudheid en van glas-in-loodvensters uit de middeleeuwen. Voor alle duidelijkheid: de kunstenaars en ambachtslui van weleer hadden nog nooit van nanodeeltjes gehoord, laat staan van deze eigenschap. Maar dat belette hun dus niet om deze onbewust te gebruiken. Hoe ze dat deden? Grotendeels door metaalpoeder onder gesmolten glas te mengen, dat vervolgens verder uiteenviel in metallische nanodeeltjes.
Het kleuropwekkende effect van nanodeeltjes komt ook terug in minder kunstige toepassingen. Zo zorgen de deeltjes voor de verkleuring van het streepje in zwangerschapstesten en covidtesten. Bij die laatste testen gaat het overigens om gouden nanodeeltjes, klompjes goud bestaande uit enkele honderden tot duizenden samengeklitte goudatomen.
Met die metallische en gouden nanodeeltjes zijn we aanbeland bij Luis Liz-Marzán, colloïdscheikundige en nanowetenschapper aan verschillende kennis- en onderzoeksinstellingen in Spanje. Vorige week ontving Liz-Marzán een eredoctoraat aan de UAntwerpen voor zijn bijdrage aan de vooruitgang in het onderzoek naar nanodeeltjes en in toepassingen ervan. In de laudatio werd hij een wereldautoriteit genoemd op het vlak van colloïd- en nanochemie, in het bijzonder dan van metallische partikels – colloïdale deeltjes of colloïden zijn een bredere categorie van deeltjes waartoe nanodeeltjes behoren. Zijn bijdrage bestaat vooral uit de synthese van nieuwe metallische nanodeeltjes en van de karakterisering ervan. Een wetenschappelijk artikel dat hij hierrond begin deze eeuw schreef behoort inmiddels tot de meest geciteerde in de hele Spaanse materiaalwetenschappen.
Eos sprak met Liz-Marzán vlak nadat hij op donderdag 30 maart in Antwerpen zijn eredoctoraat in ontvangst had genomen.
Hoe moeten we u noemen, behalve eredoctor? Scheikundige, of nanowetenschapper?
‘Het eerste past wellicht beter, want ik kom inderdaad uit de scheikunde (Liz-Marzán promoveerde tot doctor in de scheikunde in 1992 aan de universiteit van Santiago de Compostela, red.). Meer bepaald kom ik uit de colloïdchemie, een domein dat wellicht niet zo bekend is bij het brede publiek maar dat eigenlijk heel ver teruggaat. Zelfs verder dan de moderne chemie, zou je kunnen zeggen. Al halfweg de 19de eeuw werd er onderzoek gedaan naar colloïdale mengsels. Een schoolvoorbeeld van zo’n mengsel is melk, waarin de rondzwevende eiwitten en vooral vetten zich als colloïden gedragen. Dat zijn deeltjes tussen een en tienduizend nanometer groot. Doordat ze veel groter zijn dan moleculen, vinden er op het oppervlak van colloïden allerhande interacties plaats, met omliggende moleculen maar evengoed met licht of andere straling. Onderzoek binnen de colloïdchemie is trouwens verschillende keren beloond met de Nobelprijs.
Door de ontwikkeling van de nanofysica, waarbij fysici steeds dieper in de materie konden gaan turen en daar ook manipulaties konden uitvoeren, is de colloïdchemie dan in het vaarwater van de nanowetenschap gekomen. Daardoor kreeg die laatste trouwens een flinke boost, want dezelfde technieken om colloïden te synthetiseren en te functionaliseren konden worden toegepast om nanodeeltjes te maken en deze vervolgens te finetunen.’
Metallische nanodeeltjes spelen een belangrijke rol in zwangerschapstesten en in covidtesten. Ze zorgen namelijk voor de verkleuring van het teststreepje en dus voor de visualisatie van het testresultaat. Hoe doen ze dat precies?
‘Allereerst zijn metallische nanodeeltjes hier heel geschikt voor doordat het lichtverstrooiende effect van de deeltjes die zich met een antigeen (van het coronavirus bijvoorbeeld) hebben gebonden, heel groot is. Veel groter dan bij een moleculaire kleurstof, bijvoorbeeld. Een paar gebonden deeltjes zijn al genoeg om het signaal te kunnen zien, wat de testen natuurlijk ook erg precies maakt.
Overigens is het formaat van de nanodeeltjes bij deze toepassingen natuurlijk belangrijk, maar hun vorm is dat nog veel meer. We kunnen de nanodeeltjes in bolletjes maken, staafjes, driehoekjes en zelfs sterren. Bij de covidtesten zijn anisotropische vormen belangrijk, waardoor de lichtverstrooiing varieert naarmate deeltjes anders gepositioneerd zijn.’
Nanodeeltjes kunnen niet alleen gebruikt worden in medische testen, maar potentieel ook in nieuwe behandelingen. Hoe gaat dat juist in zijn werk?
‘Een idee dat al even meegaat is om metallische nanodeeltjes zo te behandelen dat ze zich aan biologische cellen binden, heel specifieke soorten cellen bovendien, zoals kankercellen. De deeltjes kunnen dan met laserlicht van buiten het lichaam worden opgewarmd, waardoor je een uitermate lokale verhitting krijgt die enkel de tumorcellen doodt. Of de nanodeeltjes zouden een medicijn kunnen vervoeren om dit op deze manier op de juiste plaats te krijgen in het lichaam. Weer via een signaal van buitenaf kan het dan gecontroleerd worden afgegeven, en enkel daar waar het nodig is. Tot slot kunnen we metallische nanodeeltjes ook aanwenden om specifieke signalen van cellen te gaan versterken, zodat we deze sneller kunnen opmerken. Dat kan diagnoses vervroegen en behandelingen dus vooruithelpen.’
Op deze manier wordt door de nanodeeltjes een mooie en potentieel vruchtbare link gelegd met de biologie.
‘In de celbiologie zijn er heel veel grote, complexe moleculen, zoals eiwitten, DNA, vetzuren, enzovoort. Die biomoleculen bevinden zich qua grootte op een vergelijkbare schaal met die van de nanodeeltjes. In de voorbeelden van hierboven spelen we dus op hetzelfde niveau als de cel. Dat het juist nanodeeltjes zijn waarmee we dit kunnen doen, is dus niet zo’n grote verrassing.’
Als scheikundige van opleiding bent u zo wel helemaal in de biologie terechtgekomen, en zelfs in de geneeskunde. Voelt u zich daar inmiddels thuis?
‘Goh, ik heb in mijn carrière de scheidslijnen tussen fundamenteel en toegepast onderzoek wel wat zien vervagen. Als fundamenteel onderzoeker word je in de eerste plaats gedreven door nieuwsgierigheid naar hoe iets in elkaar zit of werkt. Maar waarom zou je dan niet geïnteresseerd kunnen raken in toepassingen van wat je bestudeert, of van iets wat je misschien zelf wel hebt ontdekt? Ik denk dat dit eigenlijk heel menselijk is. Dat gezegd zijnde geniet ik er nog steeds volop van om de scheikunde van nanodeeltjes en colloïden steeds beter te begrijpen.’
