Kristal heelt dankzij buiging

Kristal heelt dankzij buiging

Een Amerikaans onderzoeksteam heeft een nieuwe manier bedacht om een laagje kristal zijn eigen beschadigingen te laten wegpoetsen. De truc erachter? De zelfhelende eigenschap komt tevoorschijn als het kristal gebogen is.

Amerikaanse wetenschappers van onder andere de Universiteit van Chicago hebben de structuur verstoord van een enkele laag kristal door er simpelweg een extra kristaldeeltje bij te doen. Wat ze zagen was dat het kristal zichzelf vervolgens weer heelde. Maar het zelfhelen lukt alleen als het kristal gebogen is. Deze boeiende materiaaleigenschap beschreven zij onlangs in het tijdschrift Nature Materials.

Sladressing

Om een laagje kristal te buigen om een rond oppervlak maakten de onderzoekers gebruik van een mengsel van twee moeilijk te mixen vloeistoffen, ofwel een emulsie. Ze leggen het uit aan de hand van sladressing, waarbij olijfolie en azijn gemixt worden. Om de druppeltjes azijn – die grotendeels uit water bestaan – door de olie te mengen moet je goed schudden.

Er is echter nog een ingrediënt nodig om ervoor te zorgen dat de waterdruppels verspreid blijven door de olie: een ingrediënt dat zich net zo lief in olie als in water bevindt. In dressing zijn dat kleine stukjes mosterdzaad. Deze deeltjes bewegen zich naar de plek waar water en olie elkaar raken en verzamelen zich aan het oppervlak van de waterdruppels: dit voorkomt dat de waterdruppels weer samen komen.

In plaats van mosterdzaadjes voegde het team microsopisch kleine deeltjespolymethylmethacrylaat met een diameter van 2 micrometer – dat is 40 keer zo klein als de diameter van een menselijke haar – toe aan een emulsie. Polymethylmethacry staat beter bekend als plexiglas, een vervangend materiaal voor glas. Net zoals de mosterdzaadjes bewogen de plexiglas deeltjes zich van nature naar het oppervlak van de waterdruppels, zodat elke druppel omgeven was door 100 tot 10.000 deeltjes. Om de deeltjes zat een laagje hydroxystearinezuur waardoor ze in de olie een positieve lading kregen waarmee ze elkaar afstootten. Hierdoor rangschikten ze zichzelf in een patroon dat eruitziet als een honingraat: elk deeltje stond op gelijke afstand van zes andere deeltjes (zie bovenstaand filmpje).

Buigen van kristal

Maar zoals je je misschien kan voorstellen – als je weleens een voetbal hebt willen inpakken met cadeaupapier – kan je een waterdruppel niet zomaar met een honingraatkristal inpakken. Zoals papier op sommige plaatsen kreukelt rondom een voetbal, ontstaan bij het buigen van kristal om een druppel ook een aantal beschadigingen. Precies twaalf littekens, zoals de onderzoekers de verstoringen in het patroon noemen, die gelijk verspreid om de druppel zitten.

Om het gebogen kristal verder te bestuderen plaatsten ze een extra glasdeeltje in het kristal. De glasdeeltjes hebben zichzelf georganiseerd in een patroon, maar ze kunnen binnen deze structuur nog wel vrij rond wandelen. Dus naar verwachting duwt het extra deeltje de rest een beetje aan de kant om zichzelf er tussen te persen. Althans, zo zou het gaan op een plat kristal.

Computermodel

Maar volgens de voorspellingen die de wetenschappers deden met computermodellen gebeurt er op een gebogen oppervlak iets anders. Het toevoegen van een extra deeltje leidt dan tot een verstoring in het honingraatpatroon. Die verstoring zal zich verplaatsen naar de zijkanten doordat de deeltjes hun afstand ten opzichte van elkaar zullen aanpassen. Vergelijk het maar met de rimpelingen in een vijver die zich naar de buitenkant bewegen.

Volgens het model zal de verstoring in het patroon zich naar twee tegenoverliggende littekens bewegen waar ze vervolgens worden opgenomen. Weg verstoring. Het patroon is hersteld. De honingraat zal alleen iets, zo’n dertig graden, gedraaid zijn.

Elektronica

Die theorie bleek te kloppen als een bus. Met een speciaal voor het onderzoek ontworpen en gebouwde microcoop kon het team in de praktijk zien wat er gebeurde bij het aanbrengen van een extra plexiglasdeeltje op het oppervlak van de druppel. Ze maakten er opnames van waarop ze zagen dat de verstoring die het deeltje teweeg bracht over het oppervlak van het kristal bewoog. Om vervolgens in de littekens te verdwijnen.

Het bestuderen van kristallen op gebogen oppervlakken is interessant voor de elektronica. Want het verstoren van de kristalstructuur en het ‘helen’ ervan spelen een belangrijke rol in de geleidbaarheid en eigenschappen van materialen alskoolstofnanobuisjes en grafeen. Grafeen is misschien oersterk, maar je kan niet voorkomen dat het materiaal ooit beschadigd raakt. Het buigen van een stukje grafeen zou die beschadigingen eruit kunnen halen om zo de geleidbaarheid te verbeteren.

Bron:

William T. M. Irvine e.a., Fractionalization of interstitials in curved colloidal crystals, Nature Materials (30 september 2012, online) DOI:10.1038/NMAT3429

Dit nieuwsbericht verscheen 5 oktober 2012 op Kennislink

Reageer