Remming van kristalgroei rond vuiltjes direct zichtbaar gemaakt
Onderzoekers van de Stichting FOM, het Nederlands-Duitse samenwerkingsproject SFB-TR6 en de Universiteit Utrecht hebben in een modelsysteem kristalgroei in de buurt van vuiltjes direct zichtbaar gemaakt op deeltjesniveau. In de praktijk zijn alle stoffen in meer of mindere mate verontreinigd, of dit nu de bedoeling is of niet. Hoe zo'n verontreiniging de kristalgroei beïnvloedt is daarom niet alleen van groot belang voor het algemeen begrip, maar ook van praktisch belang voor een grote diversiteit aan vakgebieden, zoals de farmaceutische industrie, de mineralogie, halfgeleiders, de productie van monokristallen, de polymeerindustrie en de eiwitkristallografie. De Utrechtse experimenten benaderen het probleem van een verontreiniging in een groeiend kristal vanuit een simpel modelsysteem: een groeiend kristal van bollen in de buurt van een enkele grotere bol gemaakt van hetzelfde materiaal. De grootte van de bol blijkt een grote invloed te hebben op de mate waarop de kristalgroei geremd en dus 'gefrustreerd' wordt. De onderzoekers publiceren hun waarnemingen in de Science van 19 augustus 2005. Uniek aan de publicatie is dat twee van de auteurs eerstejaars studenten zijn!
'Harde bollen' zijn het simpelst denkbare modelsysteem voor atomaire en moleculaire deeltjes. De bol is de eenvoudigste vorm; harde bollen zijn een soort biljartballen die elkaar alleen beïnvloeden door botsingen. Het simpelst denkbare 'modelvuiltje' is daarom een enkele grotere harde bol in een systeem van kleinere harde bollen. Harde bollen vertonen een overgang van vloeistof naar kristal bij een voldoende hoge deeltjesconcentratie. Door de bollen te laten kristalliseren in de buurt van de grotere bol kan de (geometrische) invloed van een verontreiniging op de kristalgroei ter plekke bekeken worden.
FOM-onderzoekers Volkert de Villeneuve, Roel Dullens en Dirk Aarts, eerstejaars (!) scheikundestudenten Esther Groeneveld en Hans Scherff, en Willem Kegel en Henk Lekkerkerker van de Universiteit Utrecht hebben kristalgroei in de buurt van grotere bollen nu voor het eerst op deeltjesniveau direct waargenomen met behulp van een krachtige microscoop.
'Live' studie van kristalgroei op deeltjesniveau
De onderzoekers hebben slim gebruik gemaakt van een de eigenschappen van een colloïdaal systeem van fluorescente harde bollen. Een colloïdaal systeem is een vloeistof waarin zeer kleine deeltjes met groottes tot een duizendste millimeter in doorsnede zweven. Aan een colloïdaal systeem van harde bollen van ongeveer een duizendste millimeter grootte werd een kleine hoeveelheid 5 tot 20 maal grotere deeltjes toegevoegd, gemaakt van hetzelfde materiaal als de kleine deeltjes. De kristalgroei van de kleinere deeltjes kon op het niveau van afzonderlijke deeltjes 'live' gevolgd worden met een laser scanning confocale microscoop, waarbij de deeltjes zichtbaar worden gemaakt via de fluorescentie van de deeltjes. Zodoende was een gedetailleerde analyse van de kristalgroei als functie van grootte van de verontreiniging en afstand tot de verontreiniging in de tijd mogelijk.
Kristalgroei geremd in de buurt van een verontreiniging
Uit de metingen van de Utrechtse groep blijkt dat de grotere bollen de kristalgroei lokaal remmen. Door het gekromde oppervlak van de bol kan het kristal zich minder gemakkelijk ordenen. Hoe sterker de kromming van het oppervlak is, des te lastiger het kristal het krijgt. De kristalgroei wordt rondom kleinere bollen daarom sterker gehinderd dan rondom grotere bollen. Anderzijds maakt een grotere bol het kristallijne gebiedjes in zijn omgeving lastiger om samen één groot kristal te vormen. Er ontstaan rondom de grotere bol - de verontreiniging - gebiedjes met verschillende kristaloriëntatie. Deze variaties in oriëntatie leiden tot defectlijnen. Dit zijn de scheidslijnen van de kristalgebiedjes met verschillende oriëntatie. Ze zijn naar de verontreiniging toe gericht. Wanneer deze defectlijnen zich niet in de buurt van verontreinigingen bevinden, verdwijnen de defecten geleidelijk. Wanneer deze defectlijnen verbindingen vormen tussen twee grotere bollen, blijven de defectlijnen in de kristalstructuur bestaan. Een opvallende waarneming is dat de eerste laag met deeltjes om de grotere bol heen in zijn geheel niet kristalliseert. De laag blijft vloeistofachtig, want de deeltjes houden een hoge mobiliteit.
Bijdrage van eerstejaars studenten
De eerstejaars scheikundestudenten Esther Groeneveld en Hans Scherff kwamen de zeer grote bollen 'per ongeluk' tegen als resultaat van een synthese van bolletjes tijdens hun drieweekse onderzoeksstage aan het Van 't Hoff Laboratorium voor Fysische en Colloïdchemie aan de Universiteit Utrecht. De deeltjes bleken echter uiterst bruikbaar en werden meteen door de studenten ingezet om hun effect op kristallisatie van harde bollen te bestuderen. Dit leidde uiteindelijk tot dusdanig verbluffende resultaten dat de onderzoekers het werk naar Science besloten te sturen.
Een wetenschappelijke publicatie met eerstejaars studenten als auteurs komt zelden voor. Dat eerstejaars studenten het zelfs tot een topblad als Science schoppen is uniek. Het laat zien dat studenten al in hun eerste jaar een belangrijke wetenschappelijke bijdrage kunnen leveren, wat bij de Utrechtse scheikundeopleiding gestimuleerd wordt door studenten al in het eerste jaar een onderzoeksstage te laten uitvoeren.
Meer informatie bij drs. Volkert de Villeneuve, telefoon: (030) 253 36 50, dr. Roel Dullens, telefoon: (030) 253 25 40 of met prof.dr. Henk Lekkerkerker, telefoon: (030) 253 23 91.