Microscopische 'smarties'
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam en het Debye instituut van de Universiteit Utrecht hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het maken van colloïden met een veranderbare vorm. Colloïden spelen een belangrijke rol in veel alledaagse materialen (melk, verf, olie). De vorm van deze deeltjes is bijna altijd rond. Door colloïden met ionen te bestralen worden ze ellipsvormig. Materialen opgebouwd uit niet-ronde deeltjes kunnen volledig nieuwe eigenschappen hebben. De onderzoekers laten dit zien aan de hand van toepassingen in vloeibare kristallen en fotonische kristallen. Zij publiceren hun bevindingen op 16 oktober aanstaande in het vakblad Advanced Materials.
Colloïden zijn deeltjes met een diameter van rond een micrometer (eenduizendste millimeter). Ze spelen een belangrijke rol in vloeistoffen zoals melk, verf en olie. Zo wordt de kleur van witte verf of melk bepaald door verstrooiing van licht aan colloïdale deeltjes die in de vloeistof zweven. De viscositeit ('stroperigheid') van een vloeistof kan worden veranderd door er colloïden aan toe te voegen. Ook als modelsysteem voor onderzoek aan vloeistoffen worden colloïden veel gebruikt. Verder worden colloïden sinds kort gebruikt in fotonische kristallen met nieuwe, interessante, optische toepassingen.
Van vorm veranderen
Colloïden zijn bijna altijd rond. Tot nu toe bestond er geen techniek om heel gericht deeltjes met een niet-ronde vorm (bijvoorbeeld plaatvormig of sigaarvormig) te maken. Er zijn weliswaar verscheidene technieken ontwikkeld om colloïden met andere vormen te maken, maar deze leveren alleen deeltjes in zeer kleine hoeveelheden of met een vorm die niet goed controleerbaar en reproduceerbaar is.
De onderzoekers van AMOLF ontdekten dat de vorm van colloïdale glasdeeltjes verandert wanneer ze met xenonionen worden bestraald. De deeltjes zetten uit in de richting loodrecht op de ionenbundel en krimpen in de richting van de bundel. Zo ontstaan ellipsvormige deeltjes ('smarties'); het volume van de deeltjes blijft constant. De vervorming van de deeltjes neemt continu toe met het aantal ingeschoten ionen en kan dus heel precies worden gekozen. Door opeenvolgende bestralingen te doen onder verschillende richtingen kunnen ook andere vormen worden gemaakt. Zo maakten de onderzoekers met behulp van twee loodrechte bestralingen sigaarvormige deeltjes.
Verhitting door ionen
Het fysisch model voor de continue vervorming is tamelijk eenvoudig. Op hun weg door de colloïden verliezen de ionen energie, die in warmte wordt omgezet. Als de snelheid van de ionen groot genoeg is (meer dan een miljoen meter per seconde) ontstaat langs het pad dat het ion door de colloïde aflegt gedurende een korte tijd (circa 10 picoseconde ofwel eenhonderdste van een miljardste seconde) een cilindervormig gebied met een temperatuur hoger dan 1000 °C. Dit cilindervormige gebied zet uit in de richting loodrecht op de ionenbundel. Voor een vervorming van 100% zijn zo'n miljoen ionen per colloïde nodig; dat is met een deeltjesversneller eenvoudig te realiseren. Deeltjesversnellers zijn tegenwoordig standaardinstrumenten in materiaalsynthese en worden bijvoorbeeld in de silicium-chipindustrie op grote schaal gebruikt. Op dit moment bestuderen de onderzoekers hoe ze de techniek kunnen optimaliseren, zodat ze per keer zoveel mogelijk van de gewenste deeltjes kunnen maken.
Gebruik van de vervormde deeltjes
Na bestraling kunnen de ellipsvormige deeltjes in een oplossing worden gebracht, zodat modelexperimenten voor vorming van vloeibare kristallen kunnen worden gedaan. Sommige vloeibaar-kristallijne structuren zijn tot nu toe alleen met de computer voorspeld; die voorspellingen kunnen nu experimenteel worden getest.
Daarnaast wordt verwacht dat de techniek toepassing vindt in fotonische kristallen. Dat zijn kristallen waarmee licht kan worden gemanipuleerd. Ze zullen belangrijk gaan worden in opto-elektronische toepassingen, zoals lasers, lichtversterkers, en optische computers. Berekeningen laten hier zien dat de uitdoving van bepaalde kleuren in anisotrope (dat wil zeggen niet volledig symmetrische) kristallen efficiënter is dan in gewone kristallen.
Ook modelexperimenten om het gedrag te begrijpen van biopolymeren (eiwitten, virussen) die elliptisch van vorm zijn, worden nu mogelijk.
Volgens Albert Polman en Alfons van Blaaderen, de onderzoeksleiders van dit project, ontstond het idee voor deze experimenten bij toeval, aan de koffietafel. "Tot onze grote verrassing brengt het nu materiaalfysici, colloïdchemici en biofysici bij elkaar. We staan nog maar aan het begin van een reeks hele interessante toepassingen die verscheidene vakgebieden met elkaar kunnen verbinden."
Meer informatie: prof.dr. Albert Polman of prof.dr. A. van Blaaderen, tel: (020) 608 12 34, fax: (020) 668 41 06.