Verder dan het licht: kijken met elektronen

Vorig jaar heeft de Universiteit Utrecht een nieuw apparaat gekocht ter grootte van twee op elkaar gestapelde auto’s. Waarom? Om nóg beter naar deeltjes van 100 nanometer (10.000x zo dun als een haar) groot te kunnen kijken. Het nieuwe apparaat is op dit moment de beste elektronenmicroscoop ter wereld. Een jaar na de start van de bouw is de nieuwe microscoop eindelijk klaar en kan hij direct worden gebruikt voor baanbrekend onderzoek in verschillende vakgebieden. Maar hoe werkt zo’n microscoop eigenlijk? En waarom zijn die kleine deeltjes zo interessant?

In mijn zoektocht naar antwoorden op deze vragen spreek ik met Savannah, promovendus aan de Universiteit Utrecht en een van de weinige personen die de nieuwe microscoop mag gebruiken voor haar onderzoek naar de werking van Nickel katalysatoren. Savannah werkt al zo’n 8 jaar met elektronenmicroscopen en weet haar weg binnen het vakgebied: “Als mensen naar iets kleins willen kijken dan komen ze naar mij”.

Let there be light!

Voor we een elektronenmicroscoop kunnen begrijpen, moeten we eerst weten hoe een normale microscoop werkt. De allereerste microscoop stamt uit de 17^e eeuw en staat op naam van de Delftse wetenschapper Antoni van Leeuwenhoek. Het apparaat is in feite een vergrootglas met een verstelbare houder om naar preparaten te kunnen kijken.

Afbeelding 1: Schematische tekening van de eerste microscoop ontwikkeld door Antoni van Leeuwenhoek. Bron: Wired

Het apparaat kennen we nu als de eerste lichtmicroscoop. Dat betekent dat de microscoop zichtbaar licht gebruikt om met een lens te vergroten. Zo lijkt je preparaat groter wanneer je door de lens kijkt. De vergroting van de lens is afhankelijk van de mate waarop de lens het licht breekt. Hoe meer het licht gebroken wordt, hoe sterker de vergroting.

Licht breken, gaat het dan niet stuk?
Licht kan je het beste zien als een bundel van lichtgolven (fotonen) die zich in een bepaalde richting verplaatsen. Wanneer de lichtbundel in botsing komt met ander materiaal wordt deze richting aangepast. De dikte van het materiaal is hier van groot belang. Bij de overgang van lucht naar glas wordt de lichtbundel licht afgebogen. Lenzen maken hier slim gebruik van door verschillende diktes te hebben over de lengte. Hierdoor wordt het licht bij het dikke stuk meer afgebogen dan bij het dunne

Moderne microscopen werken nog precies hetzelfde als die van Van Leeuwenhoek, maar tegenwoordig bevatten microscopen veel betere lenzen om nog grotere vergrotingen te krijgen. Of, als we het omdraaien, juist naar kleinere deeltjes te kunnen kijken!

Lichtmicroscopen worden sinds de uitvinding intensief gebruikt om kleine dingen te bestuderen. In de biologie worden microscopen veel gebruikt om naar cellen te kijken, bijna iedereen heeft tijdens de biologieles weleens een lichtmicroscoop gebruikt. Alleen de grootste toepassing van microscopie heeft iedereen in zijn broekzak zitten: je mobieltje! Niet je telefoon zelf, maar de chips in de telefoon zijn tegenwoordig zo klein dat fabrikanten microscopen moeten gebruiken om de chips goed te kunnen controleren en monteren in je telefoon.

De wetenschap zit echter niet stil en al snel liepen we tegen de limiet aan van lichtmicroscopie. De limiet wordt niet bepaald door de microscoop zelf, maar juist door de lichtgolven die vergroot moeten worden. De lichtgolven hebben namelijk een bepaalde golflengte, bij zichtbaar licht is dat tussen de 400 nm (blauw) en 700 nm (rood). Als we echter een deeltje hebben wat kleiner is dan de helft van die golflengte dan gaan de lichtgolven op elkaar inwerken, wat tot één wazige vlek zal leiden. Een bacterie is dus nog net te zien met een lichtmicroscoop, maar een virus is te klein. We moesten dus op zoek naar iets met een kleinere golflengte.

Klein, kleiner, kleinst

Op de campus neemt Savannah me mee naar de microscopie afdeling. We lopen een kamer in waar ik direct een gigantisch apparaat zie staan. De microscoop ziet eruit als een grote witte kast, maar wanneer een deur opengaat komt er een kleine fabriek tevoorschijn. De kamer is verder volgepropt met servers, kabels en ander apparatuur. De nieuwe microscoop komt op een haar na tot het plafond en we kunnen er nauwelijks langs lopen. Ruimte voor een computer was er niet meer, dus moet hij van buitenaf bestuurd worden. Savannah vertelt:

“Voor bedrijven is elektronenmicroscopie erg belangrijk, in het onderzoek naar katalysatoren, (bouw)materialen, medicijnen en zelfs bij het Corona vaccin wordt veel elektronenmicroscopie gebruikt. Bedrijven zijn daarbij aangewezen op universiteiten, omdat de goedkoopste nog steeds zo duur is als een nieuwe Maserati. Gelukkig worden ze steeds goedkoper en gebruiksvriendelijker, dus ik verwacht dat het steeds meer toegepast zal worden in de industrie!”

Afbeelding 2: Op 1 Maart 2021 is de nieuwe Spectra300 microscoop in gebruik genomen door de Universiteit Utrecht. Een officieel certificaat bewijst dat de Universiteit Utrecht nu in het bezit is van de beste elektronenmicroscoop ter wereld. Bron: UU.nl

Om de resolutie van onze microscoop te vergroten is een ‘lichtbron’ met kortere golflengte nodig. Elektronen zijn hier uitermate voor geschikt, omdat zij een golflengte hebben in de orde van picometers (0,000.000.000.001 meter). Dat is voldoende om zelfs atomen op beeld te krijgen. Savannah vertelt:

“Doordat de golflengte van een elektron afhankelijk is van zijn energie kunnen we steeds kleinere golflengtes genereren. De energie die daarbij nodig is kan zo hoog worden dat je sample kapotgaat. Grappig genoeg is dat juist ook een interessante eigenschap voor het onderzoek naar nieuwe materialen.”

Net als bij de lichtmicroscopen lopen we nu al tegen de limieten van elektronenmicroscopie aan. Savannah legt uit:

“Het nadeel is dat we de samples onder ultrahoog vacuüm moeten bekijken. In combinatie met de hoge energie van de elektronen zorgt dit voor andere eigenschappen van onze samples ten opzichte van de eigenschappen bij kamertemperatuur en luchtdruk. Ik verwacht dat in de toekomst deze obstakels ook overwonnen zullen worden en we gassen of vloeistoffen kunnen toevoegen aan de samples. We kunnen dan nog nauwkeuriger kijken naar onze materialen onder dezelfde omstandigheden en in bekende reacties, waardoor elektronenmicroscopie nog belangrijker zal worden.”

Eind 2021 verwacht de Universiteit Utrecht alle microscopen te verhuizen naar een nieuw gebouw. Daar is al een kamer ingericht voor de volgende microscoop, die naar verwachting nog een auto hoger zal worden.