Voor de beste ervaring schakelt u JavaScript in en gebruikt u een moderne browser!
EN

Experimenteel fysicus Peter Schall van de Universiteit van Amsterdam heeft een driedimensionale reconstructie gemaakt van de verandering die een atoomstructuur ondergaat wanneer een vaste stof in kristalvorm vloeistof wordt. Niet eerder is dit proces zo gedetailleerd en in 3D blootgelegd.

Experimenteel fysicus Peter Schall van de Universiteit van Amsterdam heeft een driedimensionale reconstructie gemaakt van de verandering die een atoomstructuur ondergaat wanneer een vaste stof in kristalvorm vloeistof wordt. Niet eerder is dit proces zo gedetailleerd en in 3D blootgelegd. De resultaten van de studie, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials, zijn belangrijk voor ons begrip van smelten en verharding, en de vervaardiging van nieuwe materialen.

De natuurkunde onderscheidt drie toestanden van materie: gas, vloeistof en vaste materie. Peter Schall bekeek, met collega’s van het Van der Waals-Zeeman Instituut en een wetenschapper van de University of North Texas, hoe de atoomstructuur van een kristal, de vorm die veel vaste stoffen kennen, overgaat in een vloeistof. Het atoommotief van kristal is te vergelijken met een structuur van kubussen die zij aan zij op elkaar gestapeld zijn. Vloeistoffen hebben daarentegen een rommelige structuur, te vergelijken met knikkers die door elkaar in een doos liggen. De fundamentele vraag is: Hoe transformeert de ene atomaire structuur in de ander?

Het probleem bij de beantwoording van die vraag is dat atomen erg snel bewegen, afgezien van hun minuscule formaat. Schall bootste daarom de overgang na met zogenoemde colloïdale deeltjes die duizend keer groter zijn dan atomen; hij wilde het proces visueel vergroten om het zichtbaar te maken. Door het gebruik van thermo-gevoelige colloïdale deeltjes kon hij grote colloïdale kristallen laten groeien die vergelijkbaar zijn met hun atomische tegenhanger. Op die manier verkreeg Schall met een microscoop driedimensionale beelden van de overgang van kristallen naar vloeistoffen op de schaal van de deeltjes. Deze beelden laten zien hoe de regelmatige structuur en symmetrie van de kristallen overgaat in de structuur van de vloeistof.

Borstelig grensvlak

De structurele overgang gebeurt verrassend snel: het grensgebied tussen kristal en vloeistof is twee tot drie atoomlagen breed. Binnen die atoomlagen verdwijnt het atomaire motief van het kristal, zoals de regelmatige viervlakken (tetraeder) en achtvlakken (octaeder) in het geval van het kubisch vlakgecentreerde kristal in de studie van Schall. Dan ontstaan de atomaire motieven typisch voor de vloeistof, de icosahedra. Ook laten de driedimensionale beelden zien hoe borstelig het grensvlak tussen kristal en vloeistof is: de temperatuur werkt tegen de oppervlaktespanning en zorgt ervoor dat het grensvlak op atomaire schaal trilt zoals de membraan van een luidspreker of de snaar van een viool.

Op langere termijn kunnen de inzichten leiden tot het ontwerp van nieuwe nano-materialen zoals fotonische kristallen die licht kunnen sturen. Hierdoor kan het internet via glasvezelkabels nog sneller worden.

Publicatiegegevens

Van Duc Nguyen, Minh Triet Dang, Bart Weber, Zhibing Hu, Peter Schall: Visualizing the Structural Solid-Liquid Transition at Colloidal Crystal/Fluid Interfaces. Advanced Materials (24 juni 2011).