Theoretische exotische kristallen bestaan echt

Uitgaande van perspex bolletjes met een diameter van ongeveer een duizendste millimeter hebben Utrechtse fysici kristalstructuren gemaakt die voor zover bekend niet in de natuur voorkomen. Niet alleen kwamen de nieuwe exotische kristallen in computersimulaties aan het licht, drie ervan zijn daadwerkelijk aangetroffen in suspensies van twee typen bolletjes (Physical Review Letters, 14 april).

Experimenteel bewijs van de voorspelde exotische kristalstructuren: opnames met de microscoop (boven) van GK6 en GK8 komen exact overeen met de Utrechtse computervoorspellingen. illustatie prl prl

De perspex bolletjes, colloïden geheten, zijn een factor duizend groter dan individuele atomen en dus zichtbaar onder de microscoop. In vloeistofoplossing kunnen ze zich groeperen tot kristalstructuren. Colloïdale suspensies zijn daarmee een geliefd modelsysteem bij het bestuderen van fase-overgangen als smelten en bevriezen.

Een beperking van de 'colloïdale bouwdoos' tot nu toe was dat een kristal als keukenzout er niet mee viel na te bootsen. Zoutkristallen zijn opgebouwd uit ionen van tegengestelde lading, in het geval van keukenzout Na+ en Cl-. Het probleem van de colloïdale versie van keukenzout was dat de (tegengestelde) lading van de perspex bolletjes niet voldoende klein viel te maken. Daardoor trokken de bolletjes elkaar zo krachtig aan dat ze op onregelmatig wijze samenklonterden. Inmiddels lukt het Utrechtse onderzoekers de ladingen op de perspex bolletjes wél voldoende klein te maken en is het fabriceren van colloïdaal keukenzout niet langer een probleem.

Het voordeel van colloïdale kristallen is dat de componenten veel sterker zijn te variëren dan in de atomaire wereld der zoutkristallen. Dat geldt voor de grootteverhoudingen van de samenstellende deeltjes, maar ook voor hun ladingen. Is in een atomair zout de totale lading van de deelnemende ionen verplicht nul, in een colloïdaal kristal is dat geen harde eis: andere ionen in de oplossing kunnen een ladingsverschil compenseren.

Marjolein Dijkstra, verbonden aan de onderzoeksgroep 'zachte gecondenseerde materie' van de Universiteit Utrecht, heeft met enkele collega's een nieuwe simulatiemethode ontwikkeld voor colloïdale suspensies. Als de positief geladen perspex bolletjes drie keer zo groot waren als de kleine, bleken zich behalve 'gewone' zoutkristallen ook veel exotischer structuren te kunnen vormen. Daarin omringt ieder groot deeltje G zich met vier, zes of acht kleine deeltjes K. Per 'chemische formule', bijvoorbeeld GK6, zijn diverse structuren mogelijk.

Een aantal van die theoretische structuren is door de Utrechtse groep inmiddels in echte suspensies van tegengesteld geladen colloïden aangetroffen. De kristallen bereikten, na enkele dagen groeien, afmetingen van ongeveer een tiende millimeter.

De exotische kristallen hebben, aldus de Utrechtse fysici, interessante optische eigenschappen en zouden toepassing kunnen vinden in beeldschermen of elektronische inkt.

Dirk van Delft

    • Dirk van Delft