Fijne skeletten van kiezelalgen zijn te kopiëren in silicium

De fijngevormde kiezelskeletten van diatomeeën zijn met betrekkelijke eenvoudige chemische reacties om te zetten in puur silicium. De uitzonderlijke, gevarieerde en poreuze structuur van deze microscopische algen blijft daarbij behouden. Zhihao Bao en zijn collega’s van het Georgia Institute of Technology hebben bovendien laten zien dat deze in silicium omgezette algenskeletten te gebruiken zijn als een sensor voor gas in zeer kleine hoeveelheden (Nature, 8 maart).

Het omzetten van siliciumoxide (SiO2), gewonnen uit zand, in silicium is een standaardproces in de chipindustrie. Dat gebeurt echter bij een temperatuur boven het smeltpunt van silicium (2000°C). In dat proces gaat de oorspronkelijke structuur van het materiaal verloren.

Zhihao Bao en zijn collega’s gebruiken veel lagere temperaturen. Ze laten magnesium verdampen door het in een oven te verhitten tot 650°C en vermengen het vervolgens met het inerte gas argon. Daarna laten ze het gasmengsel stromen over de diatomee (of kiezelalg) Aulacoseira. Het siliciumoxide in de kiezelskeletten wordt dan omgezet in magnesiumoxide (MgO) en silicium. In een bad van waterstoffluoride lossen de onderzoekers het magnesiumoxide op. Daarna resteert een driedimensionale structuur van silicium die een kopie vormt van het oorspronkelijke skelet van de diatomee.

Zhihao Bao maakte foto’s met de elektronenmicroscoop waarop goed te zien is dat minuscule kanaaltjes en gaatjes van de oorspronkelijke alg getrouw zijn gekopieerd.

De onderzoekers laten ook zien dat het in silicium omgezette skelet van de diatomee bruikbaar is om gas te detecteren. Nadat de diatomee tussen twee elektroden was geplaatst bleek het mogelijk een spanningsverschil te detecteren dat ontstond door stikstofoxide (NO) over de diatomee heen te laten stromen.

De detector registreerde binnen 25 seconden concentraties stikstofoxide van één deeltje op een miljoen. Volgens de onderzoekers is die combinatie van snelheid en nauwkeurigheid niet eerder gerealiseerd. Zhihao Bao slaagde er ook in het siliciumskelet te laten fluoresceren nadat het in water deels geoxideerd was.

Het gebruik van diatomeeën als mal voor siliciumstructuren is interessant, omdat er meer dan honderdduizend soorten bestaan met zeer gevarieerde kiezelskeletten. De algen zijn in een aquarium makkelijk te kweken.

Engel Vrieling, een biochemicus van de Rijksuniversiteit Groningen die werkt met diatomeeën, vraagt zich af of grootschalige toepassingen van deze diatomeeën haalbaar zijn gezien de toepassing van het milieu-onvriendelijke waterstoffluoride. Hij betwijfelt bovendien of de specifieke structuur van een sensor (in de vorm van een algenskelet) veel bijdraagt aan de werking van een sensor.

Michiel van Nieuwstadt