Kristalkiemen ontstaan anders dan gedacht
Kristallen beginnen zich altijd te vormen rond een kiem. Stefan Auer en Daan Frenkel van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam publiceerden vorig jaar als eersten een numerieke methode waarmee men kan voorspellen hoe snel die kiemen ontstaan. Daaruit bleek dat sommige kristalkiemen zich langzamer vormen dan tot dan toe werd aangenomen. Nieuwe simulaties hebben nu aan het licht gebracht dat ook een ander aspect van de vorming van kristalkiemen anders verloopt dan men dacht. Het standaardmodel voor kiemvorming gaat er vanuit dat kiemen gemakkelijker kunnen ontstaan naarmate de oplossing sterker oververzadigd is. Auer en Frenkel hebben dit gedrag in detail onderzocht met behulp van computersimulaties aan een goed gekarakteriseerd modelsysteem, namelijk een mengsel van colloïden. Het blijkt dat bij toenemende oververzadiging de deeltjes niet gemakkelijker, maar boven een bepaalde concentratie juist moeilijker tot kristallen kunnen samenklonteren. Hun bevindingen staan in de Nature van 18 oktober.
Kristalvorming begint doordat zich in een vloeistof kristallisatiekernen - een soort minikristallen ofwel kristallieten - vormen. Als die kernen voldoende groot zijn, groeien zij uit tot macroscopische kristallen. De kristallieten die te klein waren, lossen spontaan weer op. In een oververzadigde oplossing bevinden zich aanvankelijk vrijwel geen kristallieten, totdat de oververzadiging een bepaalde grens overschrijdt, waarna de kans op het ontstaan van kristallieten snel toeneemt. Auer en Frenkel hebben dat proces nagebootst in een modelsysteem van colloïdale bolletjes met verschillende afmetingen die zweven in een vloeistof. Experimenten laten zien dat in zo'n systeem de snelheid waarmee zich kristallisatiekernen vormen, bij toenemende oververzadiging op een gegeven moment een maximum bereikt en daarna weer afneemt. De gebruikelijke verklaring is dat met toenemende concentratie van de oplossing er weliswaar meer kristallieten ontstaan, maar dat hun groeisnelheid vermindert. Uit hun berekeningen concluderen Auer en Frenkel nu dat deze verklaring niet algemeen geldig is. Zij constateren dat de kans op het ontstaan van kristallieten zélf een maximum bereikt. Dit effect is het meest uitgesproken in systemen waarin de afmetingen van de deeltjes heel sterk uiteenlopen. Bij voldoende grote oververzadiging is kristallisatie helemaal niet meer mogelijk en vormt het systeem een glas, dat wil zeggen een vaste stof waarin de deeltjes niet regelmatig gerangschikt zijn. Glasachtige materialen (niet alleen vensterglas, maar ook metallische en polymere glazen) vinden veel praktische toepassingen omdat ze unieke mechanische eigenschappen hebben. Een beter begrip van het mechanisme dat kristallisatie belemmert, is dus meer dan alleen puur fundamenteel interessant.
Meer informatie bij prof.dr. D. Frenkel, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica, tel. (020) 608 12 34, e-mail d.frenkel@amolf.nl.