Kristallijne materialen, zoals bijvoorbeeld aluminium, bestaan uit allerlei kleine kristallen. De grenzen tussen deze kristallen, korrelgrenzen, bepalen hoe sterk een materiaal is: hoe meer korrelgrenzen, hoe sterker het materiaal. Korrelgrenzen bewegen door het materiaal heen, maar hoe deze beweging werkt, was tot nu toe onduidelijk. Roel Dullens, fysisch chemicus aan de Radboud Universiteit, heeft met zijn team nu een geometrisch mechanisme ontdekt dat deze beweging kan voorspellen.
Colloïden
Het team bestudeerde de korrelgrenzen in colloïdale kristallen. Colloïden zijn stoffen waarvan deeltjes ongeveer tussen de 1 nanometer en een paar micrometer groot zijn, bijvoorbeeld melk, bloed of opaal. 'Colloïden zijn dus een stuk groter dan moleculen en atomen, en daardoor makkelijk te bekijken met een microscoop,' vertelt Dullens. 'Daarnaast zijn ze interessant omdat ze zich in fase-overgangen, van vloeistof naar kristal bijvoorbeeld, hetzelfde gedragen als moleculen en atomen, iets wat Einstein al in 1905 beschreef.'
Van vloeistof naar kristal
Deeltjes in een colloïdale vloeistof bewegen voortdurend heen en weer door de Brownse beweging, die veroorzaakt wordt door botsingen met de kleinere moleculen van de vloeistof waarin ze zitten. Door die beweging scannen ze eigenlijk hun omgeving, zoeken ze naar de meest gunstige positie voor zichzelf en ordenen zich op een rooster: een kristalstructuur. Omdat de colloïden zo groot zijn, bewegen ze zich relatief langzaam. Zo kunnen de onderzoekers de individuele deeltjes zien, volgen en ook manipuleren.
Cooking – Looking - Tweezing
Roel Dullens: 'In ons lab werken scheikundigen en natuurkundigen samen. Dat geeft ons de mogelijkheid om zelf deeltjes te maken met heel specifieke eigenschappen, en daar speciale microscopen bij te bouwen.' Bovendien maakt het onderzoeksteam gebruik van een optisch pincet, een zogenaamde tweezer. 'Dat is een gefocusseerde lichtbundel, waarmee je als het ware een deeltje kunt vastpakken. Als je de laser beweegt, beweegt het deeltje mee, en zo kunnen we dus deeltjes sturen en kijken wat er in het kristal gebeurt.'
Cirkel
Het bestuderen van korrelgrenzen in een materiaal is normaal gesproken lastig, omdat deze als een netwerk aan elkaar zitten en elkaars bewegingen beïnvloeden. De onderzoekers gebruikten daarom een cirkelvormig optisch pincet om één enkele, ronde korrelgrens te maken. 'Dat is belangrijk, want die heeft één kromming, perfect gedefinieerd,' legt Dullens uit. 'Het enige dat nu belangrijk is, is het oriëntatieverschil tussen de kristallen aan de binnen- en de buitenkant.'
Nadat het gewenste oriëntatieverschil is bereikt door te roteren met het optisch pincet, wordt de korrelgrens losgelaten, die vervolgens krimpt. 'Hij krimpt omdat hij zo min mogelijk energie wil verbruiken. Grensvlakken kosten altijd energie, en dat wil de natuur niet.'
Hexagonaal patroon
De onderzoekers observeerden wat de deeltjes doen wanneer de korrelgrens krimpt. Ze zagen de grens langzaam door het kristal bewegen, waarbij deeltjes van de ene oriëntatie naar de andere overgingen. Door hiervan foto’s te maken en deze over elkaar te leggen, werd zichtbaar welke deeltjes stilstonden en welke bewogen: stilstaande deeltjes werden een stip, bewegende deeltjes een streep.
Het resultaat was verrassend: sommige deeltjes bleven volledig stilstaan terwijl de korrelgrens passeerde, terwijl andere er in een soort dans omheen bewogen. De stilstaande deeltjes ordenden zich volgens een hexagonaal patroon.
