De CryoTEM-groep beschikt over twee elektronenmicroscopen: de TITAN -het paradepaardje, door Sommerdijk vergeleken met een Rolls Royce- en zijn kleinere broertje SPHERA. De apparaten kostten samen maar liefst drie miljoen euro, maar er wordt dan ook door een dertigtal onderzoekers intensief gebruik van gemaakt.
Transmissie Elektronen Microscopie (TEM) is eigenlijk de enige manier om de structuur van ‘soft matter’ zoals polymeren of biologische materialen zichtbaar te maken, zegt Sommerdijk. In tegenstelling tot ‘gewone’ microscopie maakt TEM geen gebruik van een lichtbundel, maar van een bundel elektronen. Daarmee kun je veel kleinere structuren onderscheiden dan met lichtmicroscopen: die blijven steken op ongeveer de golflengte van het licht (enkele honderden nanometers). De nauwkeurigheid -of resolutie- van de TITAN is grofweg duizend keer beter dan die van een lichtmicroscoop en is zelfs voldoende om individuele atomen te onderscheiden.

Sommerdijk gebruikt de elektronenmicroscopen onder meer om de principes biomineralisatie te bestuderen, het proces waarbij in de natuur tanden, botten en schelpen worden gemaakt. “Dat zijn materialen met heel bijzondere eigenschappen. Bot is bijvoorbeeld heel sterk en taai, en schelpen zijn ongelooflijk hard. Wij willen weten hoe die materialen precies worden gevormd, zodat we die kennis kunnen toepassen bij het maken van synthetische materialen.” Hij wijst op een afbeelding van een coccoliet - een kalksteenstructuur gemaakt door algen. “Ik zeg altijd: als we dit kunnen namaken, kunnen we alles maken.”

Met behulp van de TITAN maakte Sommerdijk onlangs gedetailleerde driedimensionale afbeeldingen van de complexe structuur die ontstaat als je bepaalde polymeren oplost in water. De afbeeldingen sieren deze maand de omslag van Angewandte Chemie, volgens Sommerdijk een van de belangrijkste tijdschriften voor chemici. De bewuste polymeren bestaan uit een ruggengraat waaraan diverse zijgroepen zijn bevestigd, als een soort tanden aan een kam. Deze zijgroepen zijn opgedeeld in segmenten die afwisselend hydrofiel en hydrofoob zijn, wat betekent dat ze respectievelijk graag in water oplossen, of juist niet. Hierdoor blijken de polymeren in water complexe driedimensionale structuren te vormen. “Deze polymeren zijn door collega’s van de universiteit van Kent gemaakt, en ze zijn nieuw en uniek”, zegt Sommerdijk. “Maar de structuren die we zien, zijn enige jaren geleden al precies voorspeld in Leiden, waar ze computersimulaties deden aan fictieve materialen met vergelijkbare eigenschappen.”

Supersnel afkoelen
Sommerdijk benadrukt dat het aan de unieke mogelijkheden van de TITAN te danken is dat de structuren daadwerkelijk zichtbaar zijn. “De meeste elektronenmicroscopie wordt gedaan op gedroogde samples die worden gekleurd met een contrastmiddel. Met die techniek is het onmogelijk om zo’n gedetailleerde driedimensionale structuur zichtbaar te maken. En zelfs op de beelden van de TITAN hebben wij nog uitgebreide bewerkingen moeten uitvoeren om tot deze inzichtelijke plaatjes te komen.”

Bij CryoTEM worden de samples korte tijd ondergedompeld in een speciale koelvloeistof, waardoor het materiaal -dat altijd voor een groot gedeelte uit water bestaat- binnen een fractie van een seconde afkoelt tot 180 graden onder nul. Het afkoelen gaat zo snel dat het water geen tijd heeft om in ijs te veranderen. Daarvoor moeten de watermoleculen namelijk de gelegenheid hebben om zich netjes te ordenen tot in een kristalrooster. In plaats daarvan verandert het water in een soort ‘amorf’ glas. Dat is heel belangrijk voor de toepassing van elektronenmicroscopie, want hierdoor blijven de verstoringen achterwege die anders door de periodieke structuur van het ijskristal zouden ontstaan. Deze methode van prepareren is al langer populair bij biologen, omdat je het sample als het ware vastvriest in zijn natuurlijke toestand. De CryoTEM-groep van de TU/e loopt echter voorop bij het toepassen van deze techniek op synthetische materialen, aldus Sommerdijk.

De bovenkant van de elektronenmicroscoop bevat een naald die wordt opgewarmd en waaruit elektronen loskomen. Die negatief geladen deeltjes worden met een elektrisch veld -een spanning van driehonderd kilovolt- naar het sample versneld. Onderweg worden ze netjes op het sample gefocust met een elektromagnetische lens. Een deel van de elektronen wordt door de moleculen in het sample tegengehouden, een ander deel baant zich een pad door het hele sample en komt op de onderliggende detector terecht. Op die manier is de ‘schaduw’ van het sample zichtbaar op de detector, en zie je iets van de moleculaire structuur van het bevroren plakje.

TEM-afbeeldingen van de in het artikel beschreven polymeren: a) gemaakt met de conventionele contrastmiddeltechniek; b) hetzelfde materiaal zichtbaar gemaakt met CryoTEM; c) serie dwarsdoorsnedes; d) en e) verschillende stadia van de 3D-analyse met de computer.

Goudbolletjes
Als je een elektronenbundel wilt gebruiken om zachte materialen te bekijken, loop je het risico dat je het sample simpelweg kapotschiet. Daarom worden de samples bestraald met een heel lage dosis elektronen, wat relatief zwakke signalen oplevert. Daar komt nog bij dat om driedimensionale opnames te maken het sample in ruim honderd stappen wordt gekanteld. De totale dosis elektronen moet dus ook nog eens over al die opnames worden verdeeld. Als gevolg van de beweging tijdens het kantelen trilt het sample altijd een beetje, en de uitwijking van die trillingen is ongeveer net zo groot als de details die je wilt bestuderen. Om de opnames toch ten opzichte van elkaar te kunnen positioneren, worden er goudbolletjes met een diameter van ongeveer een nanometer in het sample gestopt. Die zijn heel goed zichtbaar, en voor elk plaatje worden ze weer op dezelfde plek ‘gelegd’: ze fungeren als een soort ijkpunten. Hierna maakt een computer met acht processors een 3D-reconstructie van het sample. “Dat is een computer waar mijn zoon jaloers op is, maar hij doet er evengoed nog zo’n 24 uur over om die honderden afbeeldingen te combineren”, zegt Sommerdijk lachend.
Er zijn ook elektronen die weliswaar worden afgeremd door het sample, maar toch rechtdoor vliegen. Die zouden de afbeelding op de detector verpesten doordat deze langzame elektronen anders reageren op de elektromagnetische lens achter het sample dan de onverstoorde elektronen. Ze worden daarom met een speciaal filter weggehaald. Sommerdijk: “Dat filter kun je vergelijken met een prisma. Als je daar licht doorheen stuurt, breekt dat op in alle kleuren van de regenboog. Elke kleur komt overeen met een bepaalde energie. Met elektronen kun je iets vergelijkbaars doen, en alleen de elektronen met de juiste snelheid en energie laten we op de detector terechtkomen.” Met haarscherpe plaatjes tot gevolg.

De elektronen die door het sample worden afgebogen, missen in principe de detector. Toch bevatten ook deze elektronen waardevolle informatie over het sample. Daarom kreeg Sommerdijks collega dr. Joachim Loos, die als leider van de NanoSoft-groep een ander deel van het CryoTEM-onderzoek coördineert, recent een subsidie van het Dutch Polymer Institute om juist met de afgebogen elektronen 3D-afbeeldingen te maken. Met deze techniek kunnen veel dikkere samples worden bekeken dan alleen de flinterdunne samples die de standaardtechniek aankan. Ook over dat onderzoek toont Sommerdijk zich enthousiast. “De groep van Joachim Loos en die van mij vullen elkaar op meerdere vlakken prima aan”, zegt hij. “Zo doen zij bijvoorbeeld de droge samples en wij de natte. Dat gaat gelukkig allemaal in goed overleg.”/.