Ordening in vloeibare kristallen
Vloeibaar-kristallijne ordening in materialen die bestaan uit kleine deeltjes die in een oplossing zweven, kan wellicht gemakkelijker worden gerealiseerd dan tot nog toe werd gedacht. Dat blijkt uit experimenten van onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Utrecht. In de Nature van 24 augustus beschrijven zij hoe in een oplossing met zwevende platte deeltjes drie soorten ordening blijken te ontstaan. Het soort ordening hangt samen met de variatie in diameter en dikte van de deeltjes.
In een geschikte vloeistof zwevende bolletjes, plaatjes of staafjes, met afmetingen tussen een miljoenste en een duizendste millimeter, zijn in de fysische chemie een populair modelsysteem om bijvoorbeeld kristalvorming te onderzoeken. De deeltjes, colloïden genoemd, zijn zoveel groter dan atomen dat ze met een lichtmicroscoop te zien zijn. Ze bewegen ook veel langzamer dan atomen, waardoor hun onderlinge invloed goed gevolgd kan worden. Tegelijkertijd vertoont het gedrag van zwevende colloïden in een vloeistof sterke overeenkomsten met atomaire en moleculaire systemen. Daarom vormen colloïdale dispersies, zoals die oplossingen met zwevende deeltjes heten, een realistisch modelsysteem voor het ontstaan van kristallen. Daarnaast staan kristallen van colloïdale deeltjes ook als zodanig volop in de belangstelling. Bolvormige colloïden lijken geschikte fotonische kristallen te kunnen leveren. Colloïden die niet bolvormig zijn, maar bijvoorbeeld de vorm van plaatjes of staafjes hebben, kunnen vloeibare kristallen vormen. In het Van 't Hoff laboratorium van de Universiteit Utrecht bestaat grote expertise in het maken van colloïden met vormen en eigenschappen die ze geschikt maken voor gebruik in modelsystemen. In Utrecht nu hebben Felix van der Kooij (FOM), Katerina Kassapidou en Henk Lekkerkerker (beiden UU) gekeken naar plaatvormige colloïden met een variatie in doorsnede tot 25%.
Computersimulaties
Aan colloïdale dispersies zijn veel computersimulaties gedaan. Er is gerekend aan harde bolletjes, staafjes en plaatjes. De ordening die in dispersies bij toenemende concentratie aan deeltjes optreedt, blijkt te worden gedreven door een toename in de entropie (wanorde) van het systeem. De meeste computersimulaties zijn gedaan aan deeltjes van gelijke afmetingen. Daarbij hadden bollen aanvankelijk sterk de voorkeur, omdat hun vorm het rekenen vergemakkelijkt. Later is ook veel gerekend aan staafjes en plaatjes. Uit die simulaties kwamen drie soorten ordening in colloïdale dispersies naar voren. De simpelste is de nematische fase. Daarin oriënteren de deeltjes zich min of meer evenwijdig aan hun lange as, maar vertonen over langere afstanden geen ordening qua positie. De volgende fase is de smectische. Daarin gaan de deeltjes ordenen in lagen. Tot slot kunnen de deeltjes zich ook in een tweede richting gaan ordenen; de deeltjes gaan netjes boven elkaar liggen in kolommen. Deze fase heet columnair.
Verschillende soorten ordening te zien
Anders dan in de meeste computersimulaties, bestaan echte colloïdale systemen uit deeltjes die niet allemaal even groot zijn. Voor van het fasegedrag van de deeltjes roept dit de vraag op of de nematische en de columnaire fase voor plaatjes blijft bestaan. Of geeft de groottevariatie aanleiding tot de vorming van andere structuren?
In Utrecht zijn nu experimenten gedaan met plaatjes die een variatie in doorsnede tot 25% hebben. De voorspelde nematische en columnaire fases blijken inderdaad op te treden, naargelang de concentratie aan deeltjes wordt opgevoerd (van 20 volumeprocent naar bijna 50 volumeprocent). Bij een nog hogere concentratie blijkt de columnaire fase minder sterk te worden en verschijnt een ordening waarbij de plaatjes netjes achter elkaar gaan liggen. Deze fase, die smectisch wordt genoemd, is gevoelig voor de variatie in de dikte van de plaatjes en niet gevoelig voor de variatie in doorsnede. Wanneer de variatie in de doorsnede van de plaatjes minder groot wordt gemaakt (van 25% naar 17%), dan blijkt de columnaire fase ook bij hoge concentraties stabiel. Met andere woorden, door te manipuleren met de afmetingen en de concentraties van de deeltjes kunnen van alle drie de verschillende soorten ordening van vloeibare kristallen stabiele fases worden gevormd. Van daar ook de conclusie van de onderzoekers dat het maken van vloeibare kristallen van synthetische deeltjes met afmetingen van colloïden misschien gemakkelijker is dan tot nog toe werd aangenomen.
Meer informatie bij drs. Felix van der Kooij, telefoon (030) 253 23 90 of prof.dr. Henk Lekkerkerker, telefoon (030) 253 23 91.