Brownse ratel ‘draait’ na een eeuw, op een chip

Natuurkundigen hebben vaak een theorie die pas later met een experiment wordt bevestigd. De Brownse ratel is in 1912 bedacht. En werkt nu.

Stop een aar van de muizengerst (Hordeum murinum) onderin je mouw en hij schuifelt als een levend diertje naar boven, jeukend en niet te stuiten. Tenminste: als de sprieten naar beneden wijzen, anders werkt het niet.

Volgens hetzelfde principe – de bewegingsweerstand in één richting is groter dan de andere kant op – werkt ook de ‘Brownse ratel’ waarop Wijnand Germs gisteren aan de TU Eindhoven promoveerde. Hij ontwierp een chip waarop minuscule polystyreenbolletjes in een laagje water gestaag in één richting bewegen. De kleine bolletjes bewegen net iets sneller dan de grote.

„Zo kun je ze op grootte sorteren. Misschien heeft zoiets op den duur nut in biomedische sensoren”, zegt technisch natuurkundige Germs.

Het idee van wat de Brownse ratel heet, heeft een eerbiedwaardige afkomst. De Schotse natuurkundige Thomas Brown was het al in 1827 opgevallen dat stuifmeelkorrels in water schokkerig heen en weer bewegen. Niemand minder dan Albert Einstein verklaarde in 1905 deze Brownse beweging. Zij is het gevolg van botsingen met watermoleculen.

Zeven jaar later kwam de Pool Marian Smoluchowski met een gedachtenexperiment op de proppen. De wanordelijke Brownse beweging zou je om kunnen zetten in een draaiing, met hulp van een minuscuul schoepenrad waar watermoleculen tegenaan botsen. Het schoepenrad zou gekoppeld zijn aan een tandwiel met zaagtandprofiel – de ratel – dat door een verspringende pal maar één kant op kan draaien. Een watermolecuul dat tegen de ene kant van een radblad botst draagt dan niet bij aan de draaiing, maar een molecuul dat toevallig de andere kant treft wel. Zo zou je de warmtebeweging volledig om kunnen zetten in mechanische energie, tegen de wetten van de thermodynamica in, opperde Smoluchowski. Hij zei meteen waarom het niet zou werken: ook het palletje zelf zou onderhevig zijn aan Brownse botsingen. De Brownse ratel is daardoor toch géén perpetuum mobile.

Vijftig jaar later bedacht Nobelprijswinnaar Richard Feynman dat de ratel wel bruikbaar is als ordenend principe op nanometerschaal. Dat proberen natuurkundigen nu in de praktijk te brengen.

Germs deed polystyreenbolletjes van 0,3 en 0,5 micrometer diameter (een micrometer is een duizendste millimeter) in een gootje van 25 bij 100 micrometer, gevuld met water. Onder dat waterbakje zit een rooster van elektroden, waarmee een variërend elektrisch veld aangebracht kan worden met een zaagtand-profiel. „Dat veld maakt de ratelvorm”, zegt Germs.

De bolletjes verspreiden zich door de Brownse beweging, maar zo gauw de spanning aangeschakeld wordt, worden alle bolletjes naar het punt met het sterkste veld getrokken. Vervolgens wordt de spanning weer uitgezet, en kunnen de deeltjes weer vrij Browns bewegen. Kleinere deeltjes doen dat iets sneller dan grote, dus die zullen zich ook wat breder uitspreiden. Als de spanning weer ‘aan’ gaat, schieten de meeste deeltjes schieten terug in hetzelfde ‘veldputje’ als de vorige keer, maar sommige zullen net over de grens naar het volgende dal gezworven zijn. De kleinere, snellere deeltjes overschrijden de grens net iets vaker, dus die komen net iets vaker in het volgende dal terecht. Door de aan-uit-cyclus te herhalen bewegen de kleine deeltjes zo per saldo sneller naar één kant dan de grote. „Experimenteel was het enorm lastig aan de praat te krijgen”, zegt Germs. Uiteindelijk slaagde de proef wel.

De Brownse ratel werkt dus, honderd jaar na Smoluchowski. Meteen wordt er aan toepassingen gedacht. Je zou hem kunnen gebruiken als bolletjes-scheider in het lab-on-a-chip-concept, het steeds vaker toegepaste idee van een snel chemisch laboratorium op chipformaat

„Je kunt je bijvoorbeeld voorstellen dat je in een biosensor-toepassing verschillende eiwitten aan de bolletjes koppelt die je dan op grootte scheidt”, oppert Germs. „Maar daarvoor moeten we de chip nog wel tien keer kleiner uitvoeren.”

    • Bruno van Wayenburg