FYSICI STAPELEN NANOBOLLETJES TOT EEN NIEUW SOORT KRISTAL

Regelmatig gestapelde bolletjes, kleiner dan een duizendste millimeter, vormen de basis van een nieuwe klasse van materialen met unieke optische eigenschappen. Omdat de afmetingen van de bolletjes vergelijkbaar zijn met de golflengte van zichtbaar licht, is het mogelijk om met deze `bolletjeskristallen' lichtgolven te vangen of een optische schakelaar te maken, een essentieel onderdeel van de computer-van-de-toekomst die werkt met licht. Onderzoekers van het Debye Instituut van de Universiteit van Utrecht ontwikkelden een methode om zulk stapelmateriaal te maken (Science, 5 april).

De Utrechtse fysicus Krassimir Velikov en zijn collega's lieten een oplossing waarin de bolletjes zweven op een gecontroleerde manier drogen op een schone ondergrond van glas. Zo kregen ze een plat kristal met een honingraatstructuur. Daarop lieten ze uit een andere oplossing kleinere bolletjes neerslaan, opnieuw door te drogen. Het regelmatige patroon van de grote bolletjes fungeerde daarbij als een soort mal. Zo afwisselend met grote en kleine bolletjes verder bouwend groeiden de kristallen uit tot wel een millimeter dik.

De structuur van het gemengde kristal hangt af van de concentratie van de in oplossing aanwezige bolletjes en de onderlinge verhouding van de afmetingen van de twee soorten deeltjes. De methode kan heel makkelijk worden geautomatiseerd en levert per keer goed reproduceerbare resultaten op. Uit verdere experimenten zal nu moeten blijken welke structuren het meest geschikt zijn om licht te manipuleren

In dezelfde uitgave van Science laten natuurkundigen van de universiteit van Edinburgh zien dat de gestapelde bolletjes ook inzicht bieden in de manier waarop veel kleinere atomen en moleculen zich gedragen in vloeistoffen en kristallen. Wanneer de bolletjes uit de oplossing neerslaan, gebeurt dat niet altijd heel geordend, maar ontstaat er soms ook een structuur die vergelijkbaar is met die van glas. Net als in een vloeistof zijn de bolletjes daarin niet netjes ten opzichte van elkaar gerangschikt, maar zijn ze ook weer niet in staat zich vrij te bewegen, zoals in een vloeistof. Onder normale omstandigheden stoten ze elkaar enigszins af, maar door chemicaliën toe te voegen wisten de onderzoekers te bewerkstelligen dat ze elkaar gingen aantrekken. Daardoor lijkt het voor de bolletjes moeilijker te worden om te bewegen, ze worden immers aan alle kanten ingeklemd en vastgehouden. Verrassend genoeg bleek de glasstructuur uit elkaar te vallen: `alsof je een bak met knikkers opschudt door er lijm aan toe te voegen', aldus Daan Frenkel van het FOM Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam in een begeleidend commentaar. Als de aantrekking tussen de bolletjes echter groot genoeg is, ontstaat er een opnieuw een glas-achtig materiaal, zij het met een volkomen andere structuur. Het aardige van dit soort modelexperimenten is dat eigenschappen van de bolletjes bijna naar believen kunnen worden veranderd, iets wat met atomen en moleculen natuurlijk niet mogelijk is.