Glasachtig materiaal onthoudt vroegere kristalstructuur

Onderzoekers van de universiteit van Californie hebben een 'glas' gemaakt dat een 'geheugen' blijkt te hebben. Het wordt gemaakt door het zeer sterk samenpersen van een kristal aluminiumfosfaat, ALPO, dat daardoor zijn kristalstructuur verliest en in de glastoestand overgaat. Wanneer de druk daarna wordt verminderd, krijgt men weer een kristal met dezelfde structuur terug. Het glas heeft de structuur van het kristal waaruit het ontstond 'onthouden'.

Glas wordt gewoonlijk gemaakt door het zo snel afkoelen van een smelt dat er geen kristallisatie kan optreden. Het materiaal bevindt zich dan in een metastabiele, onderkoelde vloeistoftoestand, die slechts heel langzaam (in de loop van eeuwen tot millenia) in de vaste, kristallijne toestand overgaat. Bij andere stoffen die zich in zo'n toestand bevinden spreekt men naar analogie van glas van glastoestand. De moleculen in zo'n materiaal hebben een zeer onregelmatige rangschikking, die niet te vergelijken is met de regelmatige structuur van kristallijne vaste stoffen.

Er zijn vele stoffen bekend die onder invloed van druk ook bij een lage temperatuur amorf worden en bij het verdwijnen van die druk weer in hun meer stabiele, kristallijne vorm terugkeren. De onderzoekers hebben dit verschijnsel nu bij aluminiumfosfaat bestudeerd. Afzonderlijke kristalletjes van deze stof werden bij een constant blijvende temperatuur (van 27 graden) onder een druk van 18 gigapascal (180 kilobar, ca. 180.000 atmosfeer) gebracht. Met behulp van rontgendiffractie en absorptiespectrometrie kon worden aangetoond dat het materiaal toen in een glastoestand was gekomen. Daalde de druk daarna tot onder de 5 gigapascal, dan bleek het materiaal spontaan weer de structuur van het oorspronkelijke kristal terug te krijgen (Science 249, p. 647).

De verklaring van dit verschijnsel is volgens de onderzoekers vrij eenvoudig. De hoge druk heeft tot gevolg dat de atomen in het oorspronkelijke kristal zich iets verplaatsen. Doordat de temperatuur echter laag wordt gehouden, zijn de thermische trillingen van de atomen gering en kunnen zij niet die extra energie krijgen die nodig zou zijn om helemaal los van het kristalrooster te komen. Hoewel de ordening van de atomen verloren gaat, verplaatsen zij zich waarschijnlijk minder dan een atoomdiameter. Bij het verminderen van de druk kunnen de atomen daardoor weer terugglijden naar de toestand van laagste energie die zij in het kristalrooster hadden. Het glas lijkt daardoor de oorspronkelijke structuur van het kristal te hebben onthouden.