Arnold Storm maakte in een plaatje silicium een gaatje dat zo klein is dat dna-moleculen er één voor één doorheen kunnen.
Bij toeval kwamen Arnold Storm en Henny Zandbergen van de afdeling nanoscience (TNW) achter een techniek om een zogenaamde nanoporie te maken, een gat met een diameter van enkele nanometers. Ze keken met een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) naar een plaatje siliciumoxide waarin Storm even daarvoor met lithografie en etsen, standaardtechnieken uit de chipindustrie, een gaatje had gemaakt. Dat gaatje was ongeveer veertig nanometer groot – meer dan duizend keer kleiner dan de diameter van een haar.
Terwijl hij de porie bekeek, kromp tot zijn verbazing het gaatje totdat het bijna verdween. “De elektronenbundel van de elektronenmicroscoop stookt het siliciumoxide heel lokaal op”, legt Storm uit. “Hierdoor smelt het materiaal en vervormt de porie.”
Als een gat kleiner is dan 50 nanometer kan Storm het verkleinen tot elke gewenste grootte, met een precisie van één nanometer. “Met dit proces kunnen we daardoor nanoporiën veel preciezer en efficiënter maken dan voorheen, terwijl de precisie van etsprocessen in het beste geval zo’n 20 nanometer is.”
Omdat siliciumoxide het hoofdbestanddeel is voor glas, vindt Storm dat hij glas blaast met de elektronenmicroscoop.
Door te variëren met de elektronenbundel kan Storm de grootte van de poriën regelen. En zodra hij de elektronenmicroscoop uitzet, stopt het krimpen van de porie. “Dan koelt het gaatje af. De vorm die het dan heeft, blijft behouden.”
Omdat alles onder de microscoop gebeurt, is het dichttrekken van het gat live te volgen.
Storm ontdekte dat het gedrag van nanoporiën afhankelijk is van hun doorsnede. Onder de vijftig nanometer krimpen de gaatjes bij verhitting, daarboven groeien ze. “Dat komt doordat de oppervlaktespanning zoekt naar de gunstigste toestand met het minste oppervlak.”
Virus
Storm maakte gaten van tien nanometer diameter. Omdat dna-moleculen een diameter hebben van twee nanometer passen ze er ruim doorheen. Nadat een spanningsverschil is aangelegd, worden negatief geladen dna-moleculen door het gat ‘gezogen’. Daardoor zijn de moleculen eenvoudig te detecteren: bevindt een molecuul zich in het gat, dan blokkeert het gedeeltelijk de ionenstroom die door het gat vloeit. “We zagen bijvoorbeeld dat moleculen niet alleen lineair, van kop tot staart, door de porie kunnen, maar ook gevouwen. Het molecuul zit gedeeltelijk dubbel, dat is heel duidelijk zichtbaar in de metingen”, laat Storm weten.
Handig zo’n nano-zeef maar wat moeten biologen mee? Volgens Storm is de simpelste toepassing van nanoporiën het bepalen van de lengte van dna-moleculen. “Nu gebeurt dit met gel-electrophorese. Maar een nanoporie is veel gevoeliger, daarmee zijn duizend moleculen genoeg om dna te analyseren. Dit is ruwweg een miljoen keer minder dna dat nu in het laboratorium nodig is.”
Ook de manier waarop moleculen gevouwen zijn kan bestudeerd worden met een nanoporie. “Verfijnen we deze techniek dan kunnen we de driedimensionale structuur van dna maar ook kleinere moleculen bepalen.”
Verder is volgens Storm de nanoporie handig om bepaalde kenmerken, zoals een extra stukje gen of mutaties te detecteren. “Dit kan wellicht sneller en efficiënter dan met bestaande technieken. Maar het is nog niet aangetoond dat het kan.”
Eigenlijk is het experiment van Storm vergelijkbaar met een virus dat zijn dna injecteert in een cel, ook dat gaat via kleine gaten. “De fysische mechanismen die daar achter liggen kunnen nu worden opgehelderd.”
Storm promoveert maandag 17 mei. Intussen is hij bezig met een patentaanvraag ‘op de werkwijze en inrichting voor het gecontroleerde vervangen van openingen op nanometerschaal’. “Daar komt nogal een papierwinkel bij kijken”, verzucht hij als hij de grote stapels uit zijn bureaula trekt.
Een nanoporie in de maak. Een gaatje met een begindiameter van 20 nanometer krimpt in een uur tijd naar 1 nanometer, ofwel éénmiljoenste van een millimeter.(Bron: TUDelft/FOM)
Bij toeval kwamen Arnold Storm en Henny Zandbergen van de afdeling nanoscience (TNW) achter een techniek om een zogenaamde nanoporie te maken, een gat met een diameter van enkele nanometers. Ze keken met een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) naar een plaatje siliciumoxide waarin Storm even daarvoor met lithografie en etsen, standaardtechnieken uit de chipindustrie, een gaatje had gemaakt. Dat gaatje was ongeveer veertig nanometer groot – meer dan duizend keer kleiner dan de diameter van een haar.
Terwijl hij de porie bekeek, kromp tot zijn verbazing het gaatje totdat het bijna verdween. “De elektronenbundel van de elektronenmicroscoop stookt het siliciumoxide heel lokaal op”, legt Storm uit. “Hierdoor smelt het materiaal en vervormt de porie.”
Als een gat kleiner is dan 50 nanometer kan Storm het verkleinen tot elke gewenste grootte, met een precisie van één nanometer. “Met dit proces kunnen we daardoor nanoporiën veel preciezer en efficiënter maken dan voorheen, terwijl de precisie van etsprocessen in het beste geval zo’n 20 nanometer is.”
Omdat siliciumoxide het hoofdbestanddeel is voor glas, vindt Storm dat hij glas blaast met de elektronenmicroscoop.
Door te variëren met de elektronenbundel kan Storm de grootte van de poriën regelen. En zodra hij de elektronenmicroscoop uitzet, stopt het krimpen van de porie. “Dan koelt het gaatje af. De vorm die het dan heeft, blijft behouden.”
Omdat alles onder de microscoop gebeurt, is het dichttrekken van het gat live te volgen.
Storm ontdekte dat het gedrag van nanoporiën afhankelijk is van hun doorsnede. Onder de vijftig nanometer krimpen de gaatjes bij verhitting, daarboven groeien ze. “Dat komt doordat de oppervlaktespanning zoekt naar de gunstigste toestand met het minste oppervlak.”
Virus
Storm maakte gaten van tien nanometer diameter. Omdat dna-moleculen een diameter hebben van twee nanometer passen ze er ruim doorheen. Nadat een spanningsverschil is aangelegd, worden negatief geladen dna-moleculen door het gat ‘gezogen’. Daardoor zijn de moleculen eenvoudig te detecteren: bevindt een molecuul zich in het gat, dan blokkeert het gedeeltelijk de ionenstroom die door het gat vloeit. “We zagen bijvoorbeeld dat moleculen niet alleen lineair, van kop tot staart, door de porie kunnen, maar ook gevouwen. Het molecuul zit gedeeltelijk dubbel, dat is heel duidelijk zichtbaar in de metingen”, laat Storm weten.
Handig zo’n nano-zeef maar wat moeten biologen mee? Volgens Storm is de simpelste toepassing van nanoporiën het bepalen van de lengte van dna-moleculen. “Nu gebeurt dit met gel-electrophorese. Maar een nanoporie is veel gevoeliger, daarmee zijn duizend moleculen genoeg om dna te analyseren. Dit is ruwweg een miljoen keer minder dna dat nu in het laboratorium nodig is.”
Ook de manier waarop moleculen gevouwen zijn kan bestudeerd worden met een nanoporie. “Verfijnen we deze techniek dan kunnen we de driedimensionale structuur van dna maar ook kleinere moleculen bepalen.”
Verder is volgens Storm de nanoporie handig om bepaalde kenmerken, zoals een extra stukje gen of mutaties te detecteren. “Dit kan wellicht sneller en efficiënter dan met bestaande technieken. Maar het is nog niet aangetoond dat het kan.”
Eigenlijk is het experiment van Storm vergelijkbaar met een virus dat zijn dna injecteert in een cel, ook dat gaat via kleine gaten. “De fysische mechanismen die daar achter liggen kunnen nu worden opgehelderd.”
Storm promoveert maandag 17 mei. Intussen is hij bezig met een patentaanvraag ‘op de werkwijze en inrichting voor het gecontroleerde vervangen van openingen op nanometerschaal’. “Daar komt nogal een papierwinkel bij kijken”, verzucht hij als hij de grote stapels uit zijn bureaula trekt.
Een nanoporie in de maak. Een gaatje met een begindiameter van 20 nanometer krimpt in een uur tijd naar 1 nanometer, ofwel éénmiljoenste van een millimeter.(Bron: TUDelft/FOM)
Comments are closed.