Stofdeeltjes zijn telkens opnieuw kiem voor kristalvorming

Om uit een oververzadigde suikeroplossing kristalsuiker te vormen, worden er tijdens het productieproces kleine kiemkristalletjes aan de oplossing toegevoegd, die elk afzonderlijk als basis dienen voor de vorming van een veelvoud aan nieuwe kristalletjes. Hoe dat in zijn werk gaat en vooral wat de invloed is van de grootte en vorm van dit soort kristalkiemen wordt duidelijk uit computersimulaties van onderzoekers van het FOM Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam. Daan Frenkel en zijn collega's ontdekten onder meer dat ook andersoortige deeltjes in staat zijn om aan de lopende band kristalletjes uit een oplossing te laten neerslaan (Nature, 25 maart).

Kristalvorming begint doordat zich in een vloeistof spontaan kristallieten een soort minikristallen vormen. Als die kernen voldoende groot zijn, kunnen ze uitgroeien tot macroscopische kristallen, anders lossen ze weer op. Naarmate de oververzadiging van een oplossing toeneemt, wordt de kans op het ontstaan van kristallieten groter. Om dit proces in de computer te simuleren gingen de Amsterdamse onderzoekers niet uit van moleculen, maar van veel grotere (bolvormige) deeltjes colloïden met afmetingen van minder dan een duizendste millimeter. De reden daarvoor is dat dit soort deeltjes experimenteel beter te volgen is, omdat ze nog net afzonderlijk van elkaar zichtbaar zijn onder een lichtmicroscoop.

Uit eerdere simulaties was al gebleken dat ook door de aanwezigheid van een vlakke wand de snelheid van kristalvorming toeneemt. Nu bekeken Frenkel en collega's wat de invloed is van het toevoegen van `stofdeeltjes'. Ze ontdekten dat er niets gebeurt wanneer die een vergelijkbare grootte hebben als de colloïden: de stofdeeltjes vallen nauwelijks op. Als ze echter ook zo'n tien keer groter zijn, veranderen ze van werkeloze toeschouwers in actieve lopende bandwerkers: ze dienen als basis voor kristalvorming, maar als gevolg van hun gekromde oppervlak ontstaan er spanningen in het groeiende kristal. Hierdoor laten de net gevormde kristallieten los, waarna er opnieuw kristalvorming op het stofdeeltje kan plaatsvinden. Voor grotere stofdeeltjes neemt het effect van de oppervlaktekromming af waardoor ze zich steeds meer als een `vlakke' wand gaan gedragen, waarop zich grote kristallen afzetten. De vorm van de kiemdeeltjes beïnvloedt dus de grootte van de kristallen. Dit inzicht kan ook helpen bij het verbeteren van industriële processen, waarin kristalvorming een rol speelt, bijvoorbeeld bij het zuiveren van verbindingen.