'Nanostof' produceert aan lopende band kristalkiemen
Angelo Cacciuto, Stefan Auer en Daan Frenkel, verbonden aan het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, hebben ontdekt dat 'nanostof' aan de lopende band kristalkiemen produceert in een oververzadigde oplossing van colloïden. Aan het nanostofdeeltje vormen zich kristalkernen, die loslaten als ze een bepaalde grootte bereiken. Vervolgens begint het proces opnieuw. Als het nanodeeltje groot genoeg is, blijft het gevormde kristal er wel aan vastzitten. De grootte van het nanodeeltje bepaalt zo dus de uiteindelijke grootte van de kristallen in de oplossing. Dit is van belang voor allerlei industriële processen. De onderzoekers publiceren de resultaten in de Nature van 25 maart 2004.
Kristallisatie
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. Te kleine kristallieten lossen spontaan weer op. In een oververzadigde oplossing bevinden zich aanvankelijk vrijwel geen kristallieten. Als de oververzadiging een bepaalde grens overschrijdt, neemt de kans op het ontstaan van kristallieten snel toe. Om kristallisatie te vergemakkelijken kan men aan de oververzadigde oplossing kristallieten van hetzelfde materiaal als de deeltjes in de oplossing toevoegen. Als deze kiemen voldoende groot zijn, groeien ze uit tot kristallen.
Nanostof
Ook kunnen 'vreemde' deeltjes, door de onderzoekers ook wel 'nanodirt' of 'nanostof' genoemd, gebruikt worden als kiem voor kristalvorming. Het was tot nu toe echter niet duidelijk welke rol de grootte van het vreemde deeltje speelde bij de vorming van kristallen. Angelo Cacciuto, Stefan Auer en Daan Frenkel hebben nu gesimuleerd hoe 'nanostof' de snelheid beïnvloedt waarmee zich kristallen vormen in de oplossing. Bij dit onderzoek keken zij naar kristalvorming in zogeheten colloïdale suspensies - oplossingen van deeltjes met een diameter van honderd tot duizend nanometer (1 nanometer is éénmiljoenste millimeter). Experimenteel is het mogelijk om colloïdale suspensies te maken van ongeladen, bolvormige deeltjes die zich als microscopische knikkers gedragen. De reden om juist aan kristallisatie in deze systemen te rekenen is dat onderzoekers de numerieke voorspellingen kunnen toetsen met behulp van optische microscopie.
Uit eerder onderzoek van de Amsterdamse groep was gebleken dat de snelheid waarmee kristallen gevormd worden in colloïdale suspensies dramatisch toeneemt door de aanwezigheid van een vlakke wand. Als een ronde kiem een diameter heeft die veel groter is dan de diameter van de colloïden, zullen de colloïden de kiem zien als een vlakke wand, en verwacht men dat de kristalvorming toeneemt. Een kiem die dezelfde grootte heeft als de colloïden zal nauwelijks effect hebben. Men zou verwachten dat de snelheid waarmee zich kristallen vormen toeneemt met de diameter van de kiem.
Lopende band
De Amsterdammers ontdekten echter een merkwaardig fenomeen. Als het nanostofdeeltje een straal heeft die maximaal achtmaal zo groot is als de straal van de colloïden, heeft het aanwezige nanostofdeeltje geen invloed op de kristalvorming: kristallen worden in de bulk gevormd. Is de straal van de kiem echter iets groter - ongeveer tienmaal zo groot als de straal van de colloïden - dan ontstaat een soort 'lopende band'. De kristalkernen groeien, en als gevolg van het gekromde oppervlak ontstaat spanning in het kristal. De kristalkern laat los en groeit verder uit in de bulkoplossing. Aan het nanostofdeeltje vindt dan opnieuw kristalvorming plaats. Dit loslaten gebeurt overigens niet als kiemen van hetzelfde materiaal als de colloïden worden toegevoegd. Als de onderzoekers de straal van het nanostofdeeltje nog groter maken dan de straal van de colloïden, dan wordt kristalvorming gestimuleerd - het deeltje wordt gezien als een vlakke wand -, maar de gevormde kristallen laten nu niet los van de kiem.
Kristalgrootte
De grootte van de toegevoegde nanostofdeeltjes beïnvloedt op deze manier de grootte van de gevormde kristallen. Een groot nanostofdeeltje levert een enkel macroscopisch kristal op. Kleinere nanostofdeeltjes blijven kristalkernen produceren. In de oplossing ontstaat dus een groot aantal kleine kristallen. Dit aantal is groter dan het aantal toegevoegde nanostofdeeltjes.
Een meer microscopisch inzicht in het effect van de aanwezigheid van opzettelijke onzuiverheden, nanostof, op het ontstaan van kristallen is niet louter van academisch belang. Kristalvorming speelt een grote rol bij talrijke industriële processen. Om die reden doen onderzoekers van de Technische Universiteit Delft veel toepassingsgericht onderzoek aan industriële kristallisatie. Ook is een beter begrip van het mechanisme van kristalvorming van belang voor het groeien van eiwitkristallen voor röntgenanalyse.
Voor de redactie:
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met prof.dr. Daan Frenkel, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica AMOLF in Amsterdam, telefoon (020) 608 12 34.