Methode om nieuwe types colloïdale kristallen te maken

 Colloïden zijn deeltjes met een diameter van rond een micrometer (eenduizendste millimeter) tot duizend keer zo klein (enkele nanometers). Ze spelen een belangrijke rol in producten als 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 en kristallisatie worden colloïden veel gehanteerd. Verder worden colloïden sinds kort gebruikt in fotonische kristallen. Uit eerder onderzoek is bekend dat mengsels van colloïdale deeltjes met twee verschillende afmetingen (stel L en S) spontaan kunnen leiden tot twee- en driedimensionale regelmatige kristallen met verschillende verhoudingen van grote en kleine deeltjes en verschillende kristalsymmetrie, al naar gelang de verhouding van de afmetingen van de deeltjes en hun concentratie. In de natuur zijn er voorbeelden van bekend: bijvoorbeeld LS₂ in de vorm van AlB₂ en LS₁₃ in de vorm van NaZn₁₃, beide aangetroffen in opalen uit Brazilië. Ook uit het laboratorium zijn binaire kristallen bekend, bijvoorbeeld gevormd uit polystyreen- en perspexbolletjes. Hoewel binaire kristallen voor fotonische toepassingen bijzonder interessant zijn, is er nog niet erg veel onderzoek aan gedaan; de kristallen zijn lastiger te maken en te karakteriseren dan colloïdale kristallen die uit één soort deeltje bestaan.

Laag voor laag opbouwen
Daar komt nu verandering in. FOM-onderzoeker Krassimir Velikov, Christina Christova en Roel Dullens van de Universiteit Utrecht en Alfons van Blaaderen, zowel verbonden aan de Universiteit Utrecht als aan het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam, beschrijven in de Science van 5 april 2002 een methode om binaire colloïdale kristallen van een constante kwaliteit te maken. Ze beginnen op een standaard manier: op een schone ondergrond van glas laten ze een oplossing waarin silicabolletjes zweven, onder goed gecontroleerde omstandigheden drogen. Er ontstaat een tweedimensionaal dichtgepakt kristal met een honingraatstructuur. Dat groeit met 1 tot 2 millimeter per dag. Op deze ondergrond laten de onderzoekers kleinere silicabolletjes of polystyreendeeltjes neerslaan door een oplossing met deze deeltjes erin ook onder goede controle te laten drogen. Het regelmatige patroon van de eerste laag grote silicabolletjes fungeert daarbij als een soort mal: het bepaalt samen met de oppervlaktespanning van de opdrogende vloeistof de zelforganisatie van de neerslaande deeltjes in de tweede laag. Ondanks het verschil in deeltjesgrootte ontstaat opnieuw een regelmatige kristalstructuur. Hoe dicht die structuur is, blijkt af te hangen van de hoeveelheid deeltjes en de verhouding van hun afmetingen. Zo kan de laag met kleine deeltjes heel dicht gepakt zijn of veel opener. Steeds is de structuur echter regelmatig. Daar bovenop konden de onderzoekers weer een laag met grote deeltjes aanbrengen en zo voort. Uiteindelijk bouwden ze kristallen van enkele honderden micrometers dik, met verhoudingen van grote en kleine deeltjes van 1:1 (LS), 1:2 (LS₂) en zelfs 1:3 (LS₃). In nog een ander experiment laten de onderzoekers zien hoe je nog andere kristalstructuren kunt maken. Ze maakten afwisselende lagen van (anorganische) silicabolletjes en (organische) polystyreendeeltjes. Daarna gloeiden ze in een oven de polystyreendeeltjes weg, waardoor een zeer open honingraatvormige kristalstructuur overblijft.