Ordening van onregelmatig gevormde deeltjes
Een verzameling bolletjes die allemaal even rond en even groot zijn, gedraagt zich anders dan een verzameling bolletjes die allemaal een beetje verschillen van grootte. Wat echter de invloed is van een kleine verstoring van de ronde vorm is een algemenere vraag. Identieke moleculen hebben namelijk wel allemaal dezelfde grootte, maar zijn meestal niet rond. Ook granulaire en nanodeeltjes zijn vaak niet perfect bolvormig. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben, met financiële steun van FOM, een colloïdaal modelsysteem gebruikt om de structuur te bestuderen van dichtgepakte deeltjes die wel allemaal even groot zijn, maar een veelhoekige vorm hebben. Kleine afwijkingen van de ronde vorm blijken al tot duidelijk afwijkende kristalstructuren te leiden. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in de Physical Review Letters van de week die eindigt op 20 januari 2006. Het artikel gaat op 17 januari 2006 online.
De ballenbak voor natuurkundigen bestaat uit colloïdale systemen. Dat zijn micrometer kleine deeltjes die in een oplossing zweven. Onderzoekers in het Van 't Hoff Laboratorium voor Fysische en Colloïdchemie van het Debye Instituut van de Universiteit Utrecht zijn meesters in het maken van colloïdale systemen die aan precies gewenste eigenschappen voldoen. Verder beschikken ze over microscopietechnieken en bijbehorende software om de colloïdale systemen in drie dimensies met een hoog oplossend vermogen af te beelden en te analyseren. Zo kunnen ze tot in het kleinste detail, het niveau van afzonderlijke deeltjes, zien hoe dergelijke systemen zich gedragen.
Regelmatige hexagonale structuur
Wanneer men een colloïdaal systeem van ronde harde bolletjes rustig laat bezinken onder invloed van de zwaartekracht, stapelen de bolletjes zich op tot een colloïdaal kristal. Dit kristal bestaat uit opeenvolgende lagen met een hexagonale structuur (de honingraatvorm). Roel Dullens, Maurice Mourad, Dirk Aarts, Jacob Hoogenboom en Willem Kegel hebben nu twee systemen met elkaar vergeleken. In het ene systeem zijn de deeltjes gelijkmatig van afmeting en rond, in het andere zijn de deeltjes van dezelfde afmeting maar min of meer veelhoekig van vorm. Nadat alle deeltjes van beide systemen bezonken waren, hebben de onderzoekers gekeken hoe de eerste tweedimensionale laag deeltjes direct op de bodem was geordend (zie figuur 1). Waar bij de ronde deeltjes een mooie hexagonale structuur ontstaat, vormt zich bij de veelhoekige deeltjes een structuur die flinke afwijkingen van de hexagonale structuur vertoont.
Niet hexagonaal meer
Deze afwijkingen kunnen gevisualiseerd worden door de structuren te vergelijken met een perfect hexagonaal rooster. Bij een perfecte overeenstemming valt elk middelpunt van een deeltje precies samen met een punt van het hexagonale rooster. Is dit niet het geval, dan kunnen deze afwijkingen weergegeven worden door vectoren, die de coördinaten en de bijbehorende roosterpunten met elkaar verbinden (zie figuur 2). Hoe meer en hoe langer de pijltjes zijn, des te slechter is de overeenstemming met een hexagonaal rooster. Uit deze analyse is het direct duidelijk dat de veelhoekige deeltjes het hexagonale rooster slechts over korte afstanden volgen, wat duidt op de afwezigheid van zogeheten translationele orde. Toch vormen ook de veelhoekige deeltjes wel degelijk een geordende structuur, zoals blijkt uit de zesvoudige oriëntatie van de naaste-buur-deeltjes, die overal hetzelfde is (zie figuur 1b). Met andere woorden, de structuur gevormd door de veelhoekige deeltjes bezit dan weliswaar geen translationele order maar wél oriëntationele orde. Een dergelijke structuur wordt ook wel een hexatische structuur genoemd. Het is dus de vorm van de veelhoekige deeltjes die de vorming van een echt hexagonaal rooster, dus met oriëntationele en translationele orde, frustreert en leidt tot de hexatische structuur.
Hiermee hebben de onderzoekers laten zien dat zelfs een kleine afwijking van een bolvorm een grote invloed kan hebben op de uiteindelijke structuur van het systeem. Dit is bijvoorbeeld belangrijk in de nanotechnologie. Te denken valt aan het gebruik van monolagen van magnetische nanodeeltjes, die vaak ook niet mooi rond zijn, als materiaal waarin data met ultrahoge dichtheid kunnen worden opgeslagen. De kwaliteit van zo'n monolaag wordt sterk bepaald door de laagstructuur. In een modelsysteem zoals de onderzoekers dat hebben gebruikt, kan meer inzicht worden verworven in de factoren die de ordening van de deeltjes en daarmee de kwaliteit van zo'n laag bepalen.