Gewone en exotische zouten maken met colloïden

    
Colloïden zijn deeltjes met afmetingen in de orde van een duizendste millimeter, zo'n duizend keer groter dan atomen. De grootste colloïden zijn goed door een lichtmicroscoop waar te nemen. Precies honderd jaar geleden legde Albert Einstein de theoretische basis voor het gebruik van colloïden als modelsysteem voor het onderzoek van de gecondenseerde materie, de studie van onder andere vloeistoffen en vaste stoffen en overgangen hiertussen. Er blijkt een diepe analogie te bestaan tussen het gedrag van atomen of moleculen en dat van colloïdale deeltjes.

Tegenwoordig worden colloïden nog steeds in toenemende mate gebruikt om met behulp van microscopie op het niveau van afzonderlijke deeltjes vragen te beantwoorden over processen zoals smelten en bevriezen van moleculen. Een belangrijke reden hiervoor is dat afzonderlijke colloïdale deeltjes kunnen worden onderscheiden en gevolgd met technieken, die tien jaar geleden in de Utrechtse groep van Alfons van Blaaderen zijn ontwikkeld. Dit gaat zelfs wanneer de deeltjesconcentratie heel hoog is. Een vergelijkbare experimentele techniek om afzonderlijke moleculen waar te nemen bestaat op dit moment nog niet. Om met de veel grotere colloïdale deeltjes atomaire processen beter te leren begrijpen, is het vereist dat de interacties tussen de colloïden lijken op die tussen atomen en moleculen. Voor atomen geldt dat de interacties worden bepaald door de quantummechanica. Bij colloïden kunnen dergelijke interacties worden beïnvloed met chemische veranderingen op hun oppervlak. Een groot voordeel is dat die chemische veranderingen goed beheersbaar zijn. Zo zijn al diverse systemen uitvoerig onderzocht, bijvoorbeeld van deeltjes die elkaar afstoten of die elkaar juist op heel korte afstand aantrekken.

Kristallen van ionen nabootsen
Tot voor kort lukte het echter nog niet om de wisselwerking tussen positief en negatief geladen atomen (ionen), bijvoorbeeld zoals in keukenzout, na te bootsen met colloïden. De ladingen van de deeltjes konden niet klein genoeg gemaakt worden, met als gevolg dat de plus- en mindeeltjes elkaar veel te sterk aantrekken. De deeltjes vormden daardoor ook nooit de gewenste evenwichtsstructuren, zoals regelmatige kristallen; er ontstonden onregelmatige samenklonteringen, zogeheten 'aggregaten' (overigens kunnen die er wel mooi uitzien, zoals figuur 1 laat zien).

De twee hoofdauteurs van het artikel *) in Nature, Mirjam Leunissen en Christina Christova, werkzaam in de groep van Alfons van Blaaderen aan de Universiteit Utrecht, laten met hun experimenten nu zien dat het wel degelijk mogelijk is om met colloïden kristallen zoals die van zouten te maken ('zouten' is de verzamelnaam voor alle vaste stoffen die bestaan uit ionen). Door hun grootte kunnen de deeltjes in het kristal zeer gedetailleerd afgebeeld worden en kan de exacte driedimensionale structuur eenvoudig in kaart worden gebracht (zie bijvoorbeeld het colloïdale zout in figuur 2, dat de structuur van cesiumchloride heeft).


Hoewel deze vondst processen zoals kristallisatie en glasvorming van zouten toegankelijk maakt voor nadere bestudering, bestaat er ook een intrigerend verschil tussen de colloïdale en atomaire zouten. In een atomair zoutkristal moet de totale lading van alle ionen bij elkaar opgeteld altijd nul zijn. Deze strikte eis geldt echter voor een colloïdaal zout niet, omdat daar de omringende vloeistof het ladingsverschil compenseert. Dit zorgt er bijvoorbeeld voor dat plusdeeltjes met elk 40 ladingen en mindeeltjes met elk 80 ladingen zonder probleem samen een structuur zoals die van cesiumchloride kunnen vormen, waarin de aantallen van beide deeltjes precies gelijk zijn. Dit bijzondere gedrag vergemakkelijkt niet alleen de vorming van welbekende structuren, maar levert ook een enorm scala aan meer exotische kristallen op. Figuur 3 laat bijvoorbeeld een kristal zien waarin elk groot deeltje omringd wordt door niet minder dan zes kleine deeltjes. Het artikel in Nature toont enkele van deze bijzondere kristallen, terwijl computersimulaties van Antti-Pekka Hynninen, onder begeleiding van Marjolein Dijkstra, en theoretische berekeningen van René van Roij die ook in het artikel aan de orde komen, nog veel meer nieuwe structuren voorspellen. Deze resultaten staan uitvoeriger beschreven in een artikel dat een deel van de betrokken onderzoekers heeft aangeboden aan het blad Physical Review Letters. Ook van deze nieuw voorspelde structuren, waarvan sommige nog nooit eerder gezien waren, zijn er intussen al enkele experimenteel waargenomen. Dat is bijzonder want er zijn nog maar twee grootteverhoudingen van de deeltjes onderzocht!



Weer laten smelten
Met hun experimenten demonstreren de onderzoekers ook hoe ze de kristallen met behulp van een elektrisch veld weer zeer gecontroleerd kunnen laten smelten. De plusdeeltjes bewegen daarbij naar de negatieve elektrode terwijl de mindeeltjes in tegenovergestelde richting bewegen, naar de positieve elektrode. Voor een atomair zoutkristal zou dit een veel te hoog veld vergen, maar voor colloïdale kristallen volstaat een veel lager veld. De sterkte van een kristal hangt namelijk vooral af van het aantal bindingen tussen de deeltjes in een bepaald volume. Door de duizend maal grotere colloïden is die dichtheid wel een miljard maal zo klein als in een 'echt' zoutkristal. Colloïdale kristallen zijn daarom 'zacht': ze vallen gemakkelijk uit elkaar, zoals onder invloed van het hierboven beschreven elektrisch veld of bijvoorbeeld door schudden. Vandaar ook de term zachte gecondenseerde materie.

Wanneer de deeltjes betrekkelijk snel tegen elkaar in naar de elektroden bewegen, gebeurt er overigens nog iets anders interessants: deeltjes die dezelfde kant op gaan, groeperen zich, zodat er een streeppatroon ontstaat. In dit specifieke geval vindt deze 'patroonvorming' ver uit evenwicht plaats, omdat het elektrisch veld hard aan de deeltjes trekt (er bestaan ook andere soorten patroonvorming die wel dicht bij evenwicht plaatsvinden). Theoretici hadden zulke 'baanvorming' wel al voorspeld, maar het was nog niet eerder in goed gecontroleerde experimenten waargenomen (een analogie in het dagelijkse leven wordt gevormd door stromen voetgangers die tegen elkaar in lopen). Met de nieuwe, tegengesteld geladen deeltjes kunnen dit soort verschijnselen zeer gedetailleerd bestudeerd worden.

Bruikbaar voor fotonische kristallen en e-inkt?
De interferentiekleuren in figuur 4 maken duidelijk dat de nieuwe colloïdale kristallen ook voor toepassingen gebruikt zouden kunnen worden, bijvoorbeeld als fotonische kristallen. Dit zijn structuren waarmee licht net zo geschakeld zou kunnen worden als elektronen met transistors. De colloïdale zouten bieden hiervoor interessante mogelijkheden, omdat ze nieuwe structuren mogelijk maken en kristallen opleveren met grotere deeltjes dan tot nog toe mogelijk was (zie figuur 2 en 3).
De nieuwe structuren en hun gevoeligheid voor elektrische velden zijn ook veelbelovend voor displaytoepassingen, zoals elektronische inkt ('e-inkt'). Een vorm van e-inkt bestaat uit tegengesteld geladen deeltjes met een verschillende kleur, die door een elektrisch veld uit elkaar getrokken worden om de beeldelementen van de display te schakelen. In de huidige producten klonteren de deeltjes, hetgeen leidt tot monochrome displays. De prachtig gekleurde kristallen van figuur 4 zouden interessante nieuwe mogelijkheden kunnen bieden.

Meer informatie bij prof.dr. Alfons van Blaaderen, Universiteit Utrecht, telefoon (030) 253 22 04 of bij drs. Mirjam Leunissen, telefoon (030) 253 23 15.

Een Engelse versie van dit bericht is te downloaden van www.colloid.nl.