Een nieuwe klasse van exotische kristallen

Colloïden zijn minuscule bolletjes met afmetingen zo'n duizend keer groter dan afzonderlijke atomen en daardoor zichtbaar onder een microscoop. Colloïdale suspensies, oplossingen met deze bolletjes, worden daarom wereldwijd gebruikt door natuurkundigen als modelsysteem voor de bestudering van faseovergangen in materie zoals smelten en bevriezen. Niemand minder dan Albert Einstein legde precies honderd jaar geleden de theoretische basis voor de colloïdale bouwdoos.

Colloïdale kristallen met een zoutstructuur
Een ernstige beperking van die colloïdale bouwdoos was dat bijvoorbeeld het eenvoudige keukenzout er niet mee kon worden nagebootst. Zoutkristallen bestaan uit tegengesteld geladen ionen die elkaar elektrostatisch aantrekken. De ladingen van de colloïdale deeltjes konden tot voor kort niet klein genoeg gemaakt worden. Door de te sterke aantrekking ontstonden onregelmatige samenklonteringen, zogeheten 'aggregaten', die maar weinig overeenkomst toonden met de regelmatige kristalstructuren van zouten. De Utrechtse onderzoekers hebben recent een manier gevonden om de bolletjes van een veel kleinere lading te voorzien en om colloïdale kristallen te maken zoals die van zouten.

Er bestaat echter een intrigerend verschil tussen colloïdale en atomaire zouten. Colloïdale kristallen hebben veel meer vrijheid dan de zoutkristallen die ze nabootsen. Zo moet bij een zoutkristal de totale lading van alle ionen bij elkaar opgeteld altijd nul zijn. Bij colloïdale kristallen geldt deze strikte eis evenwel niet. Doordat de kristallen zweven in een oplossing wordt het ladingsverschil gecompenseerd door andere ionen in de suspensie. Zo kunnen bijvoorbeeld positief geladen colloïden met elk 110 ladingen en negatief geladen colloïden met elk 75 ladingen zonder probleem een kristalstructuur vormen waarin de aantallen van beide deeltjes precies gelijk zijn.

Ook de grootteverhoudingen van de colloïden kunnen veel extremer gekozen worden dan in zoutkristallen. De verwachting is dan ook dat een enorme diversiteit van kristalstructuren mogelijk is, die op een zeer gecompliceerde manier afhangt van de pakkingseffecten (de bollen mogen elkaar niet overlappen), de elektrostatische interacties van de positieve en de negatieve colloïden, de reikwijdte van deze interacties, de ladingsverhoudingen en de dichtheid van de colloïden. De grote uitdaging is om een methode te ontwikkelen die al deze kristalstructuren op een zeer efficiënte en nauwkeurige manier kan voorspellen.

Vrijheid van colloïden leidt tot nieuwe en exotische kristallen
Marjolein Dijkstra, verbonden aan de groep voor onderzoek aan zachte gecondenseerde materie van de Universiteit Utrecht en  FOM-onderzoeker Antti-Pekka Hynninen (werkzaam in diezelfde groep) en René van Roij (van het Instituut voor Theoretische Fysica) publiceren deze week in het vooraanstaande vakblad Physical Review Letters de verrassende uitkomst van een nieuwe simulatiemethode. Daarmee kunnen zij inderdaad zeer precies en nauwkeurig het enorme scala aan kristalstructuren (zie figuur 1) voorspellen voor een systeem waarin de positief geladen colloïden drie keer kleiner zijn dan de negatieve. Met behulp van deze nieuwe computersimulatietechniek voorspellen de onderzoekers kristalstructuren van gewone zoutkristallen, maar ook nieuwe en veel exotischer kristalstructuren waarin elk groot deeltje (G) omringd wordt door vier, zes of acht kleine deeltjes (K), aangeduid door respectievelijk GK_4, GK₆ en GK₈. Verschillende GK₈-structuren krijgen een label (i) en (ii), bijvoorbeeld GK₈ ⁽ⁱ⁾ en GK₈ ⁽ⁱⁱ⁾. Vervolgens hebben de onderzoekers het fasegedrag bepaald op grond van voorspellingen uit deze simulaties. Figuur 2 laat het fasediagram zien als functie van de ladingsverhouding van de colloïden en de reikwijdte van de elektrostatische interacties. De nieuwe exotische structuren, GK₆ ^(iv), GK₈ ⁽ⁱ⁾ en GK₈ ⁽ⁱⁱ⁾, domineren het fasediagram. Zeer verrassend is dat juist deze kristalstructuren, die niet in de natuur voorkomen, door Christina Christova en Alfons van Blaaderen experimenteel zijn waargenomen in suspensies van tegengesteld geladen colloïden. Dit laat zien dat de nieuwe simulatietechniek betrouwbare voorspellingen geeft voor de structuren van colloïdale zoutkristallen.De nieuwe exotische kristallen hebben interessante optische eigenschappen en zijn daarom veelbelovend voor beeldschermen of elektronische inkt.


Meer informatie bij dr. Marjolein Dijkstra, Universiteit Utrecht, telefoon (030) 253 32 70 of dr. René van Roij, Universiteit Utrecht, telefoon (030) 253 75 79.
Zie ook http://www.phys.uu.nl/~mdijkstr en http://www.colloid.nl/.