Gepubliceerd op 28 juni 2011
Eerste 3D-voorstelling toont overgang atoomstructuur in grootste detail ooit
Gepubliceerd op 28 juni 2011
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).
Universiteit van Amsterdam