Veelzijdige kristalgroei voor functionele materialen
AMOLF-onderzoeker Wim Noorduin en zijn collega Nadir Kaplan van Harvard University (VS) ontwikkelden een model waarmee de vorming van een heel scala aan fraaie driedimensionale kristalstructuren nauwkeurig te beschrijven en voorspellen is. Daarmee ligt een nieuwe, goedkope en veelzijdige productiewijze in het verschiet voor de vervaardiging van functionele materialen zoals lichtgeleiders voor zonnecellen. Noorduin en Kaplan presenteren hun resultaten op 31 maart 2017 in Science.
De publicatie is het vervolg op Noorduins Science-publicatie in 2013, toen zijn fraaie microscopische 'kristalbloemen' de cover sierden. Hij werkte destijds als postdoc onderzoeker bij Harvard University. In 2015 keerde Noorduin terug naar Nederland om bij AMOLF een groep op te zetten in Self Organizing Matter (als onderdeel van het thema Designer Matter). Hij onderzoekt hoe chemische reacties en kristallisatieprocessen tot nieuwe, micro-gestructureerde functionele materialen kunnen leiden. De Science publicatie is een belangrijke mijlpaal in dat onderzoek. "Vier jaar geleden waren we vooral enthousiast over de veelzijdigheid van de kristallisatietechniek", zegt Noorduin. "Nu weten we ook hoe we er praktische relevantie aan kunnen geven."
Functionele vormen
In de huidige Science publicatie presenteert Noorduin samen met zijn Harvard collega Nadir Kaplan een kristalgroeimodel dat met wiskundige precisie aangeeft hoe de vorm van de kristallen het resultaat is van parameters als zoutconcentraties en zuurgraad. Zo geeft het aan hoe compleet nieuwe, functionele kristalvormen zijn te vervaardigen. Het bijzondere aan het kristallisatiesysteem is daarbij dat de vorm van de micro-objecten niet afhankelijk is van de kristalstructuur. Wie zout of suiker laat uitkristalliseren krijgt gefacetteerde kristalletjes: de buitenkant is een soort uitvergroting van de manier waarop de atomen of moleculen 'binnenin' gerangschikt zijn. Daar heeft de methode van Noorduin geen last van. "We schuiven de beperkingen van de kristalstructuur als het ware aan de kant, zodat we veel meer vormvrijheid hebben. Daarbij blijven de intrinsieke kristaleigenschappen onveranderd, bijvoorbeeld de mogelijkheid om licht te geleiden."
Een van de toepassingen die Noorduin op het oog heeft zijn zogenaamde fotonische materialen die een bijzondere interactie met licht vertonen. Zo maakt hij nu spiraalvormige, lichtgeleidende structuren met een fluorescerende lichtbron in de bodem. Ook creëert hij allerlei vaasvormige structuren. "Als je daar nog een reflecterende coating op zet dan kunnen ze bijvoorbeeld als lichtconcentrator voor zonnecellen fungeren". Tot nu toe probeerden onderzoekers dergelijke 'microvazen' te fabriceren met hightech materiaalbewerkingstechnieken, zoals lithografie en micromachining. Zo'n 'top-down' fabricagetechniek is duur en kent beperkingen. Noorduin denkt dat zijn 'bottom-up' aanpak veelzijdiger en goedkoper kan zijn.
Contactinformatie
Wim Noorduin, (020) 754 73 47.
Op de website van AMOLF vindt u een uitgebreidere toelichting op dit onderzoek.
Over AMOLF
Onderzoeksinstituut AMOLF verricht fundamenteel, fysisch georiënteerd onderzoek op het gebied van nanofotonica, zonnecellen, designer matter en biomoleculaire systemen. AMOLF speelt een vooraanstaande rol bij het initiëren en tot wasdom brengen van nieuwe onderzoeksterreinen met een grote potentie voor technologische innovaties. AMOLF is onderdeel van NWO.
Referentie
C. Nadir Kaplan, W.L. Noorduin, Ling Li, R. Sadza, L. Folkertsma, J. Aizenberg, L. Mahadevan 'Controlled growth and form of precipitating microsculptures' Science, 355, 1395, 2017.
Video
Simulatie van het 'groeien' van een vaasvormige structuur.