Nanodeeltjes pakken samen in onbestaanbare kristalvormen

Kristallen in de vorm van bijna bolvormige veelvlakken zijn moeilijk te maken. Het lukte Utrechtse onderzoekers wel, op nanoschaal.

Nanodeeltjes klonteren door een speciale indamptechniek samen tot een regelmatig 62-vlak. De (licht ingekleurde)elektronenmicroscoopfoto (rechts) toont hetpatroon van de computersimulatie (links). Foto’s Univeristeit Utrecht

Stop piepkleine bolletjes in een een enkele druppel, en laat die druppel verdampen. Terwijl de wanden van de druppel slinken, komen de kleine bolletjes steeds dichter op elkaar gepakt te zitten. Onderzoekers onder leiding van Marjolein Dijkstra van de Universiteit Utrecht bedachten en volgden dit recept. Ze zagen de bolletjes samenklonteren tot paradoxale minikristalletjes met fraaie vormen en exotische namen: icosaëders en rombische icosidodecaëders. Ze zijn paradoxaal omdat ze kristalvormen aannemen die bij natuurlijke kristallisatieprocessen nooit ontstaan. Afgelopen zondag publiceerden Dijkstra en collega’s van de Universiteit Utrecht hierover in Nature Materials.

„Zulke vormen zijn nog niet eerder gezien. Dit laat zien dat je de eigenschappen op dit niveau heel precies kunt manipuleren”, zegt Dijkstra aan de telefoon. De ontdekking kan volgens haar leiden tot nieuwe materialen voor de beheersing van licht, voor efficiënte zonnecellen en de katalyse van chemische reacties.

Het was al langer bekend dat minuscule bolletjes van glas, plastic, of metaal zich samen kunnen gedragen als atomen in een kristal, waarin de deeltjes netjes gestapeld zijn in geordende, symmetrische rijen. Materialen als parelmoer, opaal, maar ook synthetische fotonische kristallen om licht te manipuleren, zijn gebaseerd op zulke stapelingen van deeltjes die veel groter zijn dan een atoom.

Dijkstra en collega’s gebruikten veel kleinere nanobolletjes van kobaltijzeroxide van 6 nanometer diameter (een nanometer is een miljoenste millimeter), opgelost in een waterdruppel. Die waterdruppel was weer omgeven door olie. Bij verwarmen lost het water deels op in de olie, dus slinkt de waterdruppel, alsof hij verdampt. Een vergelijkbaar proces herhaalden ze met 200 keer grotere silica bolletjes van 1,2 micrometer diameter. Die waren opgelost in oliedruppels die zich in water bevonden.

Met een elektronenmicroscoop (en in hun computersimulaties) was te zien hoe de clusters van enkele duizenden bolletjes, in een bolvorm gedwongen, kristalliseerden tot een icosaëdervorm. De icosaëder, een van de vijf platonische lichamen, is een regelmatig veelvlak van twintig gelijkzijdige driehoeken, met een vijfvoudige symmetrie. Die vijfvoudige symmetrie is nooit te zien bij normale kristallen.

Clusters met nog meer bolletjes namen een complexere, maar geometrisch verwante, rombische icosidodecaëder-vorm aan (in de afbeelding te zien).

Worden de clusters nog groter, dan stapelen de bolletjes zich weer in het ‘normale’ patroon, bekend van gewone kristallen en van stapels sinaasappels bij de groenteboer.