Er klopt iets niet met kristallen
Kristallen ontstaan doordat moleculen in een vloeistof geordend bij elkaar gaan zitten. Eerst ontstaan kristalkiemen, een soort minikristalletjes. Sommige van die kiemen groeien uit tot boven een kritieke massa, waarna ze spontaan doorgroeien tot grotere, zichtbare kristallen. Het begin van dit proces is lastig waar te nemen. Stefan Auer en Daan Frenkel van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben nu voor het eerst computersimulaties van het vormen van kritieke kiemen uitgevoerd. Hun conclusie is dat dit veel langzamer gaat dan uit de analyse van beschikbare experimenten is afgeleid. De komende jaren zullen betere experimenten gedaan kunnen worden. Die moeten uitwijzen of de simulaties goed zijn. Is dat het geval, dan kan de vorming van kristallen (bijvoorbeeld van eiwitten) voor het eerst kwantitatief worden voorspeld. Blijken de uitkomsten van de simulaties niet goed, dan moet de bestaande theorie over het ontstaan van kristalkiemen op de helling. Auer en Frenkel publiceren de resultaten van hun simulaties in de Nature van 22 februari a.s.
IJs smelt bij 0°C. Water zou bij dezelfde temperatuur moeten bevriezen. Toch gebeurt dat lang niet altijd. Het is vaak mogelijk om water te onderkoelen tot ver onder het vriespunt. Het is dan metastabiel - dat wil zeggen dat het lange tijd vloeibaar kan blijven, om dan plotseling te kristalliseren. Dit verschijnsel treedt niet alleen bij water op, maar bij alle ons bekende vloeistoffen. Er zijn verschillende manieren waarop de kristallisatie kan starten: meestal gebeurt het omdat we tegen de wand stoten van het vat waarin de vloeistof zit of omdat er een stofdeeltje in de vloeistof terechtkomt. Als we heel voorzichtig zijn treedt de kristallisatie ook op - gewoonweg omdat zich zo af en toe spontaan kristallen vormen in de vloeistof. Dit verschijnsel heet 'homogene kristalnucleatie'.
Vorming van kiemen
Gezien door een elektronenmicroscoop zijn kristallen geordend. Vloeistoffen, daarentegen, zijn wanordelijk. Om een kristal te vormen moeten de moleculen spontaan geordend bij elkaar gaan zitten. Het gebeurt vaak dat een handvol moleculen spontaan een minikristalletje vormt. Dat is echter niet stabiel en valt weer uit elkaar. Om door te groeien moet zo'n spontaan gevormd kristal een kritieke massa hebben: kristallen groter dan deze kritieke massa (de 'kritieke kiemgrootte') groeien van zelf door tot een macroscopisch kristal, kleinere niet. De snelheid waarmee homogene kristalnucleatie optreedt, wordt geheel bepaald door de eigenschappen van de kritieke kiem. Helaas is het - tot nu toe - vrijwel onmogelijk om kritieke kiemen direct waar te nemen. De reden is eenvoudig: het gebeurt maar heel zelden dat de moleculen een kritieke kiem vormen - en als het dan gebeurt is het zo voorbij. Bovendien is niet van te voren te zeggen waar in de vloeistof de kiem zal ontstaan.
In het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam zijn computersimulatietechnieken ontwikkeld waarmee het mogelijk is de vorming van kritieke kiemen te voorspellen. In een artikel dat verschijnt in Nature van 22 februari beschrijven Stefan Auer en Daan Frenkel de eerste berekeningen van de absolute snelheid van kristalnucleatie. De berekeningen werden niet verricht aan een vloeistof die bestaat uit kleine moleculen (zoals water), maar aan een suspensie van grotere deeltjes (harde, colloïdale bolletjes). De reden is dat er zeer veel experimentele en theoretische gegevens bekend zijn over dit systeem. Dit maakte het mogelijk om de berekeningen zowel met experiment als met theorie te vergelijken.
Kritieke kiemen vormen zich langzamer dan gedacht
De resultaten van de berekeningen zijn verrassend: de berekende nucleatiesnelheden liggen ver beneden de waarden die volgden uit analyse van de beschikbare experimenten. Normaal zou men dan concluderen dat de berekeningen fout zijn. Auer en Frenkel komen echter tot de conclusie dat de afwijkingen met de experimentele uitkomsten groter zijn dan de onnauwkeurigheid in hun berekeningen. Zij suggereren dan ook dat er opnieuw gekeken moet worden naar de interpretatie van de experimenten. Die interpretatie is niet eenvoudig omdat, tot nu toe, de experimenten niet direct het cruciale proces van de kiemvorming konden volgen. Die situatie verandert evenwel snel. Nieuwe meettechnieken die gebruik maken van confocale lasermicroscopie kunnen in suspensies van colloïden zeer nauwkeurig in drie dimensies en in kleine tijdstappen laten zien wat er gebeurt. Daardoor wordt het mogelijk kiemvorming van colloïdale kristallen direct waar te nemen. In de komende maanden en jaren zal dan ook blijken of de berekeningen kloppen. Zo ja, dan hebben kristalonderzoekers een middel in handen om de vorming van allerlei kristallen (bijvoorbeeld eiwitkristallen) kwantitatief te voorspellen. Zo nee, dan is de huidige beschrijving van kristalkiemvorming aan een grondige herziening toe.
Meer informatie bij prof.dr. D. Frenkel, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF), Amsterdam, telefoon: (020) 608 12 34, e-mail: frenkel@amolf.nl.
Achtergrondinformatie is te vinden op: www.amolf.nl/research/computational_physics/group_members/frenkel/frenkel.html.