Wetenschappers in Delft hebben een methode ontwikkeld om selectief microdeeltjes uit een vloeistof te scheiden op basis van hun vorm. De methode berekent nauwkeurig het pad dat een specifiek gevormd microdeeltje zal volgen in de stroming door een smalle buis. Hierdoor is het mogelijk om een sorteerkanaal in te richten, waarin de verschillend gevormde deeltjes elk hun eigen weg gaan.

De ontwikkelde techniek kan in verschillende vakgebieden ingezet worden, bijvoorbeeld bij het produceren van medicijnen of het zuiveren van microplastics uit water. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift PNAS.

Selectief filteren

Er zijn talloze voorbeelden van niet-opgeloste microdeeltjes in vloeistoffen, zoals de rode bloedcellen in ons bloed, bacteriën in slootwater en microplastics in het afvoerwater van de wasmachine. Wanneer we die deeltjes uit de vloeistof willen zuiveren, kan dat op basis van hun grootte, met behulp van een zeef. In sommige processen is het essentieel om deeltjes met een verschillende vorm, die even groot, zijn van elkaar te scheiden.

Dat is tot op heden alleen nog mogelijk met externe bronnen zoals een magnetisch veld, elektrische lading of licht. Hiervoor zijn extra apparaten nodig en de microdeeltjes zijn niet altijd van elkaar te onderscheiden aan de hand van deze eigenschappen. Een voorbeeld is het productieproces van medicijnen. Daarbij is het voor de werking van het medicijn belangrijk dat het eindproduct alleen de juiste werkzame kristalstructuren bevat. Onderzoeker H. Burak Eral: "In het maakproces ontstaan vaak kleine variaties op de vorm van het benodigde zuivere kristal, die dan wel dezelfde grootte hebben. Die afwijkende kristallen kunnen we met deze techniek beter uit de vloeistof zuiveren."

De methode die onderzoekers Rumen Georgiev en H. Burak Eral hebben ontwikkeld werkt puur en alleen op basis van de krachten die op de deeltjes werken in de stroming door een smalle buis, zo dun als een haar. Met behulp van de opgestelde formules kan nauwkeurig worden berekend welk pad het deeltje in de smalle buis af gaat leggen.

Universele formule

Eerder theoretisch onderzoek samen met de Universiteit van Utrecht en de Universiteit van Hawaii maakte duidelijk dat de asymmetrische deeltjes op een typerende manier door een smal kanaal stromen. Het team uit Utrecht ontwikkelde een simpele, maar goed werkende theorie voor de beweging in 2 dimensies. "Hoewel de deeltjes op een complexe manier rondtollen en meegesleurd worden met de stroming, bleek het toch mogelijk om concrete theoretische voorspellingen te doen over het gevolgde pad", aldus hoogleraar René van Roij van de Universiteit van Utrecht.

In Delft gingen Georgiev en Eral door met experimenten, 3D-simulaties en de theorie, om het patroon van de microdeeltjes te doorgronden. Door zelf de microdeeltjes in verschillende vormen te maken, kon hij spelen met de eigenschappen ervan. Keer op keer leidde Georgiev de deeltjes door het kanaal en rekende hij aan het pad dat het deeltje had afgelegd. "We zagen een belvormig patroon ontstaan in het pad, dat alle microdeeltjes op basis van hun vorm op net een andere manier volgen. Door de vele experimenten en computersimulaties wisten we dat pad uiteindelijk terug te brengen tot een universele formule, waarin de vorm van het deeltje de enige variabele is."

Snelweg met afslagen

Met behulp van de formule kan berekend worden welke weg een microdeeltje met een bepaalde vorm af gaat leggen. Dit maakt het zelfs mogelijk om verschillend gevormde deeltjes tegelijkertijd uit een vloeistof te sorteren, wanneer je de smalle buis inricht als een snelweg met verschillende afslagen. Georgiev: "Elk deeltje volgt een gelijkvormig pad. Hoe dat pad er precies uitziet, wordt slechts bepaald door zijn vorm. Deeltje A zal dus bij de ene afslag uitkomen, terwijl deeltje B richting de andere afslag beweegt."

De methode kan in veel gebieden worden toegepast, van de medische industrie tot de afvalwaterzuivering. Waar Eral veel kansen ziet, is de ontwikkeling van de minuscule labs op een chip en scheidingstechnologieën in de industrie. Eral: "Een minuscuul kanaaltje met verschillende uitgangen is al genoeg om microdeeltjes uit een vloeistof te halen. Denk aan het scheiden van verkeerd gevormde rode bloedcellen bij sikkelcelanemie. Het principe kan ook op grotere productieprocessen worden toegepast in de farmaceutische industrie. Dat de methode op kleine en grote schaal werkt, is echt een uitkomst." Eral en Georgiev gaan in Delft door met het onderzoeken en verfijnen van de scheidingsmethode, zodat het goed aansluit op de industriële praktijk en breed ingezet kan worden.