Bern (Zwitserland) - Het maandblad Quest besteed in haar september nummer aandacht aan wetenschappers die met behulp van LEGO stenen allerlei moleculen nabouwen. Hieronder de tekst uit het artikel:
Geneesmiddelen genoeg?
Scheikunde is net LEGO. Met een beperkt aantal bouwblokjes (atomen)maak je ontelbaar veel bouwwerken (moleculen). Wetenschappers van de Universiteit van Bern zijn aan het inventariseren welke stoffen mogelijk ooit als medicijn gebruikt kunnen worden. Ze telden het aantal stoffen dat uit maximaal 13 atomen koolstof, stikstof, zwavel en chloor bestaat. Veel daarvan zijn nog nooit gemaakt, maar ze voldoen wel aan de regels van de scheikunde: je kunt ze dus maken. Dit stuk van het 'chemische universum' is bij uitstek het gebied om medicijnen in te zoeken. Want veel geneesmiddelen bestaan uit dit soort kleine moleculen. De onderzoekers hebben nu een database van 970 miljoen stoffen. En enkele daarvan zijn in de toekomst misschien nuttig.
Verder in het nieuws met betrekking tot LEGO en universiteiten:
Kleine stukjes LEGO vormen de kern van een nieuwe
microscopische activiteit die plaatsvindt binnen lab-on-a-chip-apparaten, ook
wel bekend als Microfluidic arrays, op een schaal waarbij wetenschappers
gemakkelijk kunnen observeren.
Microfluidic arrays worden vaak gebruikt om kleine monsters te sorteren op grootte, vorm of samenstelling, maar de minuscule krachten werken op zo'n kleine omvang, dat ze moeilijk te meten zijn. Om dit kleine probleem op te lossen, hebben de Johns Hopkins ingenieurs besloten om groot te denken. LEGO groot.
Onder leiding vanJoelle Frechette en het Duitse Drazer, gebruiken beide assistent-professoren aan de opleiding chemische en biomoleculaire engineering van de universiteit Whiting School of Engineering, kralen van slechts een paar millimeter in doorsnede, een aquarium gevuld met goopy glycerol, en de LEGO elementen gearrangeerd op een LEGO grondplaat om de mysteries die zich op het micro-en nanoschaal niveau voordoen te ontgrendelen. Hun opmerkingen kunnen aanwijzingen bieden over hoe het ontwerp en de fabricage van lab-on-a-chip technologie verbeterend kan worden. Hun studie over deze techniek is gepubliceerd in Physical Review Letters.
Het idee voor dit project komt van het begrip "dimensionale analyse ', waarin een proces wordt bestudeerd op een andere omvang en schaal terwijl de regerende principes hetzelfde blijven.
De hele opzet, zegt Drazer, kost een paar honderd dollar en kan gemakkelijk worden gekopieerd en is een wetenschap betrouwbaar experiment.
Een kleine witte bal wordt losgelaten op een bord met LEGO stukjes ondergedompeld in een tank gevuld met glycerol om onderzoekers te helpen te visualiseren wat er gebeurt op nanoschaal in Microfluidic arrays. Foto: Zal Kirk / JHU
"Microfluidic arrays zijn miniatuur chemische fabrieken," zegt Frechette. "Een van de belangrijkste componenten van deze apparaten is de mogelijkheid om een type van de component te scheiden van het andere. We hebben een methode onderzocht die Microfluidic scheiding heet."
Met dit doel voor ogen, hebben Frechette en Drazer de testopstelling gebouwd met behulp van een veelvoud cilindervormige LEGO elementen die per twee stuks zijn gestapeld en gerangschikt in rijen en kolommen op een LEGO grondplaat om een rooster van obstakels op te werpen. Het geheel werd bevestigd aan een plexiglas plaat om zijn stijfheid te verbeteren en drukt tegen een wand van plexiglas van een tank gevuld met glycerol. Roestvrij stalen ballen van drie verschillende maten, evenals plastic ballen, werden handmatig vrijgelaten aan de bovenkant van de opstellnig; hun wegen naar de bodem werden bijgehouden en vastgelegd met een camera.
Afgestudeerde studenten Manuel Balvin en Tara Iracki, en bijna afgestudeerde Eunkyung Sohn, allen van de afdeling Chemical and Biomolecular Engineering, hebben meerdere onderzoeken uitgevoerd met behulp van elke soort bal. Ze draaiden de geheel geleidelijk, om zo de relatieve hoek tussen zwaartekracht en de kolommen van de matrix te verkleinen (daarbij is het wijzigen van de hoek noodzakelijk). Daarbij zagen ze dat de grote deeltjes niet op een diffuus of willekeurige wijze door de opstelling bewegen, zoals hun kleine tegenhangers meestal wel in een Microfluidic array deden. In plaats daarvan waren hun paden deterministisch, wat betekent dat ze met precisie kunnen worden voorspeld, zegt Drazer.
De onderzoekers hebben ook gemerkt dat het pad dat door de kogels gevolgd werd hetzelfde bleef, als terwijl de ballen in beweging waren de hoek van het rooster werd veranderd. Als de hoek werd veranderd, hadden sommige van de ballen de neiging nog in dezelfde richting door te bewegen waarbij nog een, twee, drie of zelfs vier elementen werden gepasseerd, voordat ze hun verticale val weer doorzetten.
"Onze ervaring leert dat als je weet dat een enkele parameter een maat voor de asymmetrie in de beweging van een deeltje rond een obstakel zorgt, je kunt voorspellen welk pad dat deeltje zal volgen in een Microfluidic array, simpelweg door te vertrouwen op de geometrie, zegt Drazer.
Het feit dat de ballen zich in dezelfde richting blijven verplaatsen binnen de array, terwijl de hoeken worden veranderd, wordt aangeduid als fase vergrendeling. Als de array zou worden teruggebracht naar micro-of nanosize zeggen de onderzoekers dat ze verwachten dat deze verschijnselen nog steeds aanwezig zijn en zelfs zijn te verhogen, afhankelijk van de factoren, zoals de onvermijdelijke onregelmatigheden van deeltjesgrootte of oppervlakteruwheid.
"Er zijn krachten aanwezig zijn tussen een deeltje en een obstakel als ze echt dicht bij elkaar zijn, die aanwezig zijn of het systeem nu op micro-en nanoschaal of zo groot als de LEGO-schaal is," zegt Frechette. "Een labyrint van legosteentjes is een uitstekend model voor het voorspellen van het stromingsgedrag in een lab-op-een-chip. Realistisch, zichtbaar met het blote oog en zó goedkoop dat het tevens een ideaal experiment is om te demonstreren tijdens science fairs, zo melden onderzoekers van Johns Hopkins University (VS) in Physical Review Letters.
Joelle Frechette en German Drazer bouwden een ‘uitvergrote micro-array’ door een patroon van ronde Legosteentjes op een grondplaat te zetten. Het geheel klemden ze tussen twee perspexplaten, waarna ze het verticaal in een bak met glycerol plaatsten.
Vervolgens lieten ze er van bovenaf balletjes van kunststof of roestvast staal in vallen, met diameters in de orde van een paar millimeter, en keken welk pad ze volgden tussen de obstakels door. Dit als functie van de hoek die het labyrint met de bodem van de bak maakte.
Belangrijke conclusie is dat je dat pad precies kunt voorspellen. Er zit heel weinig willekeur in. En die hoek blijkt ook verrassend weinig uit te maken.
De onderzoekers denken dat deeltjes in een echte micro-array zich op vergelijkbare wijze zullen gedragen en dat het dus wel eens verrassend gemakelijk zou kunnen zijn om een array te construeren die op grootte of bijvoorbeeld oppervlakteruwheid sorteert. Wel loop je kans dat er gekke dingengebeuren wanneer de deeltjesconcentratie zo hoog wordt dat de deeltjes elkaar gaan beïnvloeden.
Microfluidic arrays worden vaak gebruikt om kleine monsters te sorteren op grootte, vorm of samenstelling, maar de minuscule krachten werken op zo'n kleine omvang, dat ze moeilijk te meten zijn. Om dit kleine probleem op te lossen, hebben de Johns Hopkins ingenieurs besloten om groot te denken. LEGO groot.
Onder leiding vanJoelle Frechette en het Duitse Drazer, gebruiken beide assistent-professoren aan de opleiding chemische en biomoleculaire engineering van de universiteit Whiting School of Engineering, kralen van slechts een paar millimeter in doorsnede, een aquarium gevuld met goopy glycerol, en de LEGO elementen gearrangeerd op een LEGO grondplaat om de mysteries die zich op het micro-en nanoschaal niveau voordoen te ontgrendelen. Hun opmerkingen kunnen aanwijzingen bieden over hoe het ontwerp en de fabricage van lab-on-a-chip technologie verbeterend kan worden. Hun studie over deze techniek is gepubliceerd in Physical Review Letters.
Het idee voor dit project komt van het begrip "dimensionale analyse ', waarin een proces wordt bestudeerd op een andere omvang en schaal terwijl de regerende principes hetzelfde blijven.
De hele opzet, zegt Drazer, kost een paar honderd dollar en kan gemakkelijk worden gekopieerd en is een wetenschap betrouwbaar experiment.
Een kleine witte bal wordt losgelaten op een bord met LEGO stukjes ondergedompeld in een tank gevuld met glycerol om onderzoekers te helpen te visualiseren wat er gebeurt op nanoschaal in Microfluidic arrays. Foto: Zal Kirk / JHU
"Microfluidic arrays zijn miniatuur chemische fabrieken," zegt Frechette. "Een van de belangrijkste componenten van deze apparaten is de mogelijkheid om een type van de component te scheiden van het andere. We hebben een methode onderzocht die Microfluidic scheiding heet."
Met dit doel voor ogen, hebben Frechette en Drazer de testopstelling gebouwd met behulp van een veelvoud cilindervormige LEGO elementen die per twee stuks zijn gestapeld en gerangschikt in rijen en kolommen op een LEGO grondplaat om een rooster van obstakels op te werpen. Het geheel werd bevestigd aan een plexiglas plaat om zijn stijfheid te verbeteren en drukt tegen een wand van plexiglas van een tank gevuld met glycerol. Roestvrij stalen ballen van drie verschillende maten, evenals plastic ballen, werden handmatig vrijgelaten aan de bovenkant van de opstellnig; hun wegen naar de bodem werden bijgehouden en vastgelegd met een camera.
Afgestudeerde studenten Manuel Balvin en Tara Iracki, en bijna afgestudeerde Eunkyung Sohn, allen van de afdeling Chemical and Biomolecular Engineering, hebben meerdere onderzoeken uitgevoerd met behulp van elke soort bal. Ze draaiden de geheel geleidelijk, om zo de relatieve hoek tussen zwaartekracht en de kolommen van de matrix te verkleinen (daarbij is het wijzigen van de hoek noodzakelijk). Daarbij zagen ze dat de grote deeltjes niet op een diffuus of willekeurige wijze door de opstelling bewegen, zoals hun kleine tegenhangers meestal wel in een Microfluidic array deden. In plaats daarvan waren hun paden deterministisch, wat betekent dat ze met precisie kunnen worden voorspeld, zegt Drazer.
De onderzoekers hebben ook gemerkt dat het pad dat door de kogels gevolgd werd hetzelfde bleef, als terwijl de ballen in beweging waren de hoek van het rooster werd veranderd. Als de hoek werd veranderd, hadden sommige van de ballen de neiging nog in dezelfde richting door te bewegen waarbij nog een, twee, drie of zelfs vier elementen werden gepasseerd, voordat ze hun verticale val weer doorzetten.
"Onze ervaring leert dat als je weet dat een enkele parameter een maat voor de asymmetrie in de beweging van een deeltje rond een obstakel zorgt, je kunt voorspellen welk pad dat deeltje zal volgen in een Microfluidic array, simpelweg door te vertrouwen op de geometrie, zegt Drazer.
Het feit dat de ballen zich in dezelfde richting blijven verplaatsen binnen de array, terwijl de hoeken worden veranderd, wordt aangeduid als fase vergrendeling. Als de array zou worden teruggebracht naar micro-of nanosize zeggen de onderzoekers dat ze verwachten dat deze verschijnselen nog steeds aanwezig zijn en zelfs zijn te verhogen, afhankelijk van de factoren, zoals de onvermijdelijke onregelmatigheden van deeltjesgrootte of oppervlakteruwheid.
"Er zijn krachten aanwezig zijn tussen een deeltje en een obstakel als ze echt dicht bij elkaar zijn, die aanwezig zijn of het systeem nu op micro-en nanoschaal of zo groot als de LEGO-schaal is," zegt Frechette. "Een labyrint van legosteentjes is een uitstekend model voor het voorspellen van het stromingsgedrag in een lab-op-een-chip. Realistisch, zichtbaar met het blote oog en zó goedkoop dat het tevens een ideaal experiment is om te demonstreren tijdens science fairs, zo melden onderzoekers van Johns Hopkins University (VS) in Physical Review Letters.
Joelle Frechette en German Drazer bouwden een ‘uitvergrote micro-array’ door een patroon van ronde Legosteentjes op een grondplaat te zetten. Het geheel klemden ze tussen twee perspexplaten, waarna ze het verticaal in een bak met glycerol plaatsten.
Vervolgens lieten ze er van bovenaf balletjes van kunststof of roestvast staal in vallen, met diameters in de orde van een paar millimeter, en keken welk pad ze volgden tussen de obstakels door. Dit als functie van de hoek die het labyrint met de bodem van de bak maakte.
Belangrijke conclusie is dat je dat pad precies kunt voorspellen. Er zit heel weinig willekeur in. En die hoek blijkt ook verrassend weinig uit te maken.
De onderzoekers denken dat deeltjes in een echte micro-array zich op vergelijkbare wijze zullen gedragen en dat het dus wel eens verrassend gemakelijk zou kunnen zijn om een array te construeren die op grootte of bijvoorbeeld oppervlakteruwheid sorteert. Wel loop je kans dat er gekke dingengebeuren wanneer de deeltjesconcentratie zo hoog wordt dat de deeltjes elkaar gaan beïnvloeden.
Het artikel uit de Quest van september 2009
De opstelling van de onderzoekers Frechette en Drazer.
Lees ook:
Deelnemer First LEGO League vindt nieuwe zonnecel uit! (26-10-2008)