Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek
21 januari 2010
Assepoester eindelijk gevonden
Biaxiaal vloeibaar kristal ontdekt met DUBBLE-bundellijn
Recent onderzoek met de DUBBLE-bundellijn heeft bewezen dat er vloeibare kristallen met twee hoofdassen bestaan. Vloeibare kristallen met één hoofdas vind je al volop in LCD-schermen (liquid crystal display), maar kristallen met twee hoofdassen kunnen beeldschermen en optische schakelaars veel sneller maken, en openen deuren naar nieuwe 3D-technieken.
Onderzoekers zijn al jaren op zoek naar 'de Assepoester van de vloeibare kristallen': een zogeheten biaxiaal vloeibaar kristal. Enkele jaren geleden maakten onderzoekers met ingewikkelde banaanvormige moleculen vloeibare kristallen met twee hoofdassen. Maar de resultaten van dat onderzoek bleven onderwerp van intense discussie: er was niet met zekerheid te zeggen of het hier nou écht om biaxiale vloeibare kristallen ging. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben het bestaan van biaxiale vloeibare kristallen bewezen. Ze ontdekten dat vloeibare kristallen met twee hoofdassen zelfs vrij gemakkelijk en spontaan kunnen ontstaan. Dat deden zij met DUBBLE, die voor Nederlandse en Vlaamse onderzoekers experimenten met röntgenstraling bij de ESRF te Grenoble mogelijk maakt.
Gespleten identiteit
Een vloeibaar kristal, ook wel LC (Liquid Crystal), bestaat uit een vloeistof met daarin langwerpige moleculen die licht kunnen breken. Als je met je vinger op een LCD-scherm drukt - wat overigens niet aan te raden is - zie je rond de afdruk beweging: dat zijn de vloeibare kristallen. Zo'n vloeibaar kristal kan stromen als een vloeistof, maar heeft een vaste interne structuur. De moleculen in een vloeibaar kristal kunnen wel vrij bewegen - net zoals in een vloeistof - maar kijken wel allemaal dezelfde kant op. De kijkrichting van die moleculen kun je aanpassen met elektrische spanning. Op je LCD-scherm worden de moleculen met spanning in het gelid gezet, opdat ze het licht precies goed breken om kleur en licht te geven.
In de vloeibare kristallen in je LCD-scherm ordenen de moleculen zich langs één as. Staafvormige moleculen ordenen zich bijvoorbeeld langs hun lengteas en schijfvormige moleculen ordenen zich op basis van hun kortste zijde. In beide gevallen wijkt de lengte of de breedte duidelijk af van de andere dimensies. Veertig jaar geleden werd echter al voorspeld dat moleculen met een lengte, breedte en hoogte die allemaal van elkaar verschillen, zich langs twee assen zouden kunnen ordenen. Daardoor zouden de moleculen veel sneller kunnen bewegen en zou bijvoorbeeld een 3D-tv mogelijk zijn. Tijdens experimenten met de bundellijn van DUBBLE is deze theorie nu voor het eerst bewezen.
Toevalstreffer
De wetenschappers zetten de röntgenstralenverstrooiing van DUBBLE in voor onderzoek naar de vloeibaar kristallijne ordening van plankvormige deeltjes van het mineraal Goethiet. Die röntgenstraling onthulde de 3D-structuur van de vloeibare kristallen. In de nematische fase, waarbij de deeltjes naar richting ordenen, bleek het vloeibaar kristal zich in drie dimensies te kunnen ordenen, volgens de lengte, breedte en hoogte van de deeltjes in het kristal. De voorspelling van veertig jaar eerder kwam dus uit. De resultaten van het onderzoek werden in december 2009 gepubliceerd op de cover van het tijdschrift Physical Review Letters.
De Goethietdeeltjes met een simpele plankvorm geven nu voor het eerst duidelijk bewijs voor de biaxiale ordening. Toch zijn de deeltjes waarmee de onderzoekers experimenteerden nog niet direct toepasbaar voor een 3D-scherm, of supersnelle optische schakelaars. Deze deeltjes nemen te veel licht op, en ze zijn nog wat te groot en daardoor te langzaam. Het principe belooft echter veel goeds.
DUBBLE
In samenwerking met het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek Vlaanderen (FWO) financiert NWO de onderzoeksfaciliteit DUBBLE. De DUBBLE (Dutch Belgium Beam Line) is één van de dertig meetfaciliteiten rond de synchotronring van de ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) te Grenoble. DUBBLE kan voor het onderzoek beschikken over de röntgenstraling die door de ESRF-synchotron wordt opgewekt. De straling is bijzonder intens en omspant bijna het hele golflengtebereik van het elektromagnetisch spectrum. Met röntgenverstrooiing kunnen wetenschappers structuren bestuderen met afmetingen van 1 tot 1000 miljoenste millimeter (of, 1 nanometer tot 1 micron). In de afgelopen vier jaar onderzochten wetenschappers met deze techniek onder andere grote eiwitten, vloeibare kristallen, colloïdale kristallen, onderkoeld water, polymeren en huid.
Over NWO
NWO is dé nationale wetenschapsfinancier en heeft tot taak het wetenschappelijke onderzoek in Nederland te laten excelleren via nationale competitie. Jaarlijks geeft NWO ruim 700 miljoen euro uit aan subsidies voor toponderzoek en toponderzoekers, vernieuwende instrumenten en apparatuur, en aan instituten waar toponderzoek wordt bedreven. NWO financiert het onderzoek van ruim 5300 getalenteerde wetenschappers aan universiteiten en instellingen. Selectie door middel van peer review is in handen van onafhankelijke deskundigen. NWO bevordert de overdracht van kennis naar de maatschappij.