Met een elektrisch veld de structuur van kristallen instellen

Colloïden zijn bewegende bolletjes van hooguit eenduizendste millimeter in doorsnede die zijn opgelost in een vloeistof. Ze zijn veel groter dan atomen, maar met het blote oog niet te zien. Albert Einstein liet nu bijna honderd jaar geleden zien dat er een diepe natuurkundige analogie bestaat tussen colloïden in een oplosmiddel en atomen in materie. Jean Perrin, die in 1926 de Nobelprijs voor de natuurkunde kreeg, gebruikte deze analogie om met zijn sedimentatie-experimenten aan colloïdale vloeistoffen voor eens en altijd het bestaan van atomen en moleculen te bewijzen. Zelfs zijn tijdgenoten die zeer sceptisch waren over het bestaan van atomen waren nu overtuigd. Het gedrag van colloïden leidt daarom tot fundamenteel inzicht in het gedrag van atomen en moleculen. Net zoals atomen kunnen de colloïden zich netjes rangschikken op een rooster, zoals in een kristal, of ze kunnen kris kras door elkaar bewegen als atomen in een vloeistof of in een gas. Het gebruik van colloïden heeft bovendien grote voordelen. Atomen zijn te klein om ze direct te kunnen waarnemen en ze zouden te snel bewegen om ze ‘live’ te kunnen volgen. Colloïden zijn, daarentegen, zoveel groter en zoveel langzamer dan atomen, dat onderzoekers ze met speciale microscopische technieken stap voor stap kunnen volgen. Colloïdale suspensies kunnen daarom als modelsysteem worden gebruikt om fundamentele processen op het gebied van smelten, kristalliseren en kiemvorming te bestuderen.

Harde en zachte bollen
In het Debye Instituut van de Universiteit Utrecht, een samenwerking van natuurkundigen en scheikundigen, wordt experimenteel en theoretisch onderzoek gedaan aan tal van colloïdale systemen. Utrechtse onderzoekers hebben de afgelopen jaren technieken ontwikkeld om de krachten tussen de colloïdale deeltjes te beïnvloeden. De krachten tussen de deeltjes kunnen zodanig gemaakt worden dat ze alleen een afstotende wisselwerking hebben op zeer korte afstand. Deze deeltjes zijn zogeheten harde bollen. Ze kunnen als biljartballen met elkaar botsen, maar hebben verder geen invloed op elkaar, kunnen elkaars ruimte niet innemen, en laten zich in hun gedrag niet door temperatuur beïnvloeden.

Naast een zeer steil afstotende kracht tussen de deeltjes, kunnen de krachten tussen de bollen ook zacht afstotend zijn. De deeltjes worden dan zachte bollen genoemd. De afstand waarover de afstoting zich doet voelen kan beïnvloed worden door de hoeveelheid zout in het oplosmiddel van de colloïden te variëren.

Speelgoedballen met magneetjes
Marjolein Dijkstra, verbonden aan de groep voor onderzoek aan zachte gecondenseerde materie van het Debye Instituut en FOM-onderzoeker Antti-Pekka Hynninen (werkzaam in diezelfde groep) publiceren op 15 april in het vakblad Physical Review Letters de verrassende uitkomst van computersimulaties dat de structuur van de kristallen kan worden gemanipuleerd door het toepassen van een extern elektrisch veld. Als een colloïdale suspensie in een elektrisch veld wordt gezet, wordt er in elk deeltje een dipool (vergelijkbaar met een magneetje) gevormd met een oriëntatie evenwijdig aan de richting van het elektrisch veld. De dipoolwisselwerking tussen de deeltjes zijn in bepaalde richtingen aantrekkend of afstotend en lijken op de krachten die optreden tussen plastic speelgoedballetjes met een klein magneetje erin. Heel veel van deze speelgoedballetjes bij elkaar hebben de neiging om strengen of rijen te vormen, omdat de noord- en zuidkant van de magneetjes in twee afzonderlijke speelgoedballetjes elkaar aantrekken.

Colloïdale deeltjes in een extern elektrisch veld doen dit daarom ook (zie figuur 1). Wanneer de strengen van deeltjes van de ene elektrode naar de andere elektrode lopen krijgt de oplossing van bolletjes ineens een veel grotere weerstand om te stromen. Dit zogeheten elektro-reologisch gedrag wordt al toegepast in bijvoorbeeld een variabele transmissie en een intelligente schokdemper.

Manipuleerbare kristalstructuren
Bovendien laten de simulaties zien dat bij hogere dichtheden van de colloïdale deeltjes, de bollen zich netjes spontaan gaan ordenen op een regelmatig rooster. De onderzoekers laten niet alleen zien dat kristallen gemaakt kunnen worden die anders nooit spontaan ontstaan, maar ze tonen ook aan dat nieuwe exotische kristalstructuren gevormd kunnen worden, afhankelijk van de sterkte van het elektrisch veld (zie figuur 2). Deze kristalstructuren zijn uiterst interessant omdat ze nieuwe perspectieven bieden voor het gebruik van colloïden in geavanceerde materialen, zoals fotonische kristallen of minuscule schakelaartjes in glasvezelnetwerken.

Zeer fascinerend is ook dat de kristalstructuur manipuleerbaar is met de sterkte van het elektrisch veld. Er zit als het ware een knop op het modelsysteem waarmee de structuur van het kristal 'afgestemd' kan worden. Ook kunnen fundamentele processen als smelten en bevriezen nu met behulp van deze knop worden bestudeerd. Verschillende van deze kristalstructuren zijn inderdaad al experimenteel waargenomen in de groep voor zachte gecondenseerde materie van het Debye Instituut.

Stapeling van bollen
De manier waarop bollen stapelen is wetenschappelijk gezien nog altijd een vruchtbaar terrein van onderzoek. Kristalonderzoekers onderscheiden in grote lijn twee zogeheten pakkingen. Als bollen spontaan gaan kristalliseren bij voldoende hoge dichtheid, dan zullen ze zich gaan ordenen in een zogenaamde dichtste pakking. In de dichtste pakking wordt elk deeltje in een laag omgeven door zes buren zodat een hexagonale ordening ontstaat. Op zo’n laag kan de volgende hexagonale laag op twee manieren gestapeld worden. Als de verschillende stapelingsvolgordes aangeduid worden met de letters A, B en C, dan staat de ABAB-stapeling bekend als de hexagonal close packed of hcp-structuur en de regelmatige ABCABC-structuur als de face-centered-cubic of fcc-structuur (zie figuur 3). De fcc-structuur is de meest stabiele kristalvorm die in de natuur voorkomt, terwijl de hcp-structuur metastabiel en onvoordelig is. Een grote uitdaging is nog steeds om de hcp-structuur experimenteel te verkrijgen. Een verrassend resultaat van de computersimulaties is dat de stapeling van de bollen met behulp van een elektrisch veld zodanig gedirigeerd kan worden dat de hcp-structuur stabiel is in plaats van de fcc-structuur.

Nieuwe exotische kristallen
Bij hogere veldsterktes van het elektrisch veld voorspellen de simulaties de zogenaamde body-centered-tetragonal of bct- en body-centered-orthorhombic of bco-structuur (zie figuur 4). De computersimulaties geven ook een duidelijke verklaring voor het ontstaan van deze exotische kristalstructuren: de asymmetrische bco-structuur wordt gestabiliseerd door zowel de zacht afstotende krachten als de dipoolwisselwerkingen tussen de bollen.