Chemische tuintjes in 2D groeien via spiraalvorming

Foto Florence Haudin

Deze ogenschijnlijk chaotische wolk van blauw, paars en groen is tot stand gekomen via een strak patroon van spiraalvorming. Deze week beschreven Belgische en Spaanse onderzoekers in het tijdschrift PNAS (early online edition) de patroonvorming in zulke zogeheten chemische tuintjes. Wellicht kent u die tuintjes uit de winkel. Het is een papieren tafereel, bijvoorbeeld een berg met twee bomen ernaast en struikgewas ervoor. Op de bodem wordt opgelost natriumsilicaat (waterglas) gegoten, dat een reactie aangaat met metaalzouten (vaak cobaltchloride, CoCl2) op het papier. Via een proces van kristallisatie groeien binnen een dag prachtige structuren, in allerlei vrolijk makende kleuren.

Maar hoe verloopt die groei nou precies? Zijn er wetmatigheden? „Dat was tot nu toe moeilijk vast te stellen, omdat het proces in 3D werd bestudeerd en er dan allerlei complexe interacties zijn”, licht natuurkundige Florence Haudin toe. Zij is eerste auteur van het artikel en verbonden aan de Vrije Universiteit van Brussel. De onderzoekers beperkten het proces tot 2D. Tussen twee platen, een halve millimeter uit elkaar, brachten ze waterglas aan, en daar lieten ze, via een buisje (op de foto de zwarte cirkel in het midden) een oplossing van cobaltchloride instromen. Afhankelijk van de concentratie van de twee oplossingen zagen ze de prachtigste vormen ontstaan: bloemen, wormen, pluizen, kronkeldraadjes. En ze zagen die spiraalvorming, als volgt. Het reactiemengsel slaat eerst neer in de vorm van een cirkel. Maar er blijft cobaltchloride toestromen, waardoor de druk op die cirkel toeneemt. Op een gegeven moment breekt de cirkel en ontstaat er een gaatje. De flanken links en rechts van de bres buigen opzij, ze roteren. Ter plekke ontstaat een spiraalvorm, met de bres als de punt van de spiraal. Dan vormt zich een nieuw neerslagfront. En zo verder.