Onderzoekers ontdekken geometrisch beweegpatroon van korrelgrenzen

Mathieu Baltussen en Marjolein Dijkstra van de Universiteit Utrecht hebben samen met onderzoekers van de Radboud Universiteit ontdekt hoe korrelgrenzen in kristallijne materialen volgens een geometrisch patroon bewegen. Deze ontdekking kan in de toekomst helpen bij het ontwikkelen van sterkere materialen.

Kristallijne materialen, zoals bijvoorbeeld aluminium, bestaan uit allerlei kleine kristallen. De grenzen tussen deze kristallen, korrelgrenzen, bepalen hoe sterk een materiaal is: hoe meer korrelgrenzen, hoe sterker het materiaal. Korrelgrenzen bewegen door het materiaal heen, maar hoe deze beweging werkt, was tot nu toe onduidelijk. Onderzoekers van de Radboud Universiteit en de Universiteit Utrecht hebben nu een geometrisch mechanisme ontdekt dat deze beweging kan voorspellen. 

Colloïden

Het team bestudeerde de korrelgrenzen in colloïdale kristallen. Colloïden zijn stoffen waarvan deeltjes ongeveer tussen een nanometer en een paar micrometer groot zijn, zoals bij melk, bloed of opaal. “Colloïden zijn dus een stuk groter dan moleculen en atomen, en ze zijn daardoor makkelijk te bekijken met een microscoop,” vertelt Roel Dullens, fysisch chemicus aan de Radboud Universiteit. Daarnaast zijn ze interessant omdat ze zich in faseovergangen, van vloeistof naar kristal bijvoorbeeld, hetzelfde gedragen als moleculen en atomen, iets wat Einstein al in 1905 beschreef."

Van vloeistof naar kristal

Deeltjes in een colloïdale vloeistof bewegen voortdurend heen en weer door de Brownse beweging, die veroorzaakt wordt door botsingen met de kleinere moleculen van de vloeistof waarin ze zitten. Door die beweging scannen ze eigenlijk hun omgeving, zoeken ze naar de meest gunstige positie voor zichzelf en ordenen zich op een rooster: een kristalstructuur. Omdat de colloïden zo groot zijn, bewegen ze zich relatief langzaam. Zo kunnen de onderzoekers de individuele deeltjes zien, volgen en ook manipuleren.

Colloïden zijn een stuk groter dan moleculen en atomen, en daardoor zijn ze makkelijk te bekijken met een microscoop.

Cooking – Looking - Tweezing

Dullens: “In ons lab werken scheikundigen en natuurkundigen samen. Dat geeft ons de mogelijkheid om zelf deeltjes te maken met heel specifieke eigenschappen, en daar speciale microscopen bij te bouwen." Bovendien maakt het onderzoeksteam gebruik van een optisch pincet, een zogenaamde tweezer. “Dat is een gefocusseerde lichtbundel, waarmee je als het ware een deeltje kunt vastpakken. Als je de laser beweegt, beweegt het deeltje mee, en zo kunnen we dus deeltjes sturen en kijken wat er in het kristal gebeurt.”

Cirkel

Het bestuderen van korrelgrenzen in een materiaal is normaal gesproken lastig, omdat deze als een netwerk aan elkaar zitten en elkaars bewegingen beïnvloeden.  De onderzoekers gebruikten daarom een cirkelvormig optisch pincet om één enkele, ronde korrelgrens te maken. "Dat is belangrijk, want die heeft één kromming, perfect gedefinieerd,", legt Dullens uit. Het enige dat nu belangrijk is, is het oriëntatieverschil tussen de kristallen aan de binnen- en de buitenkant."

Nadat het gewenste oriëntatieverschil is bereikt door te roteren met het optisch pincet, wordt de korrelgrens losgelaten, die vervolgens krimpt. "Hij krimpt omdat hij zo min mogelijk energie wil verbruiken. Grensvlakken kosten altijd energie, en dat wil de natuur niet."

Hexagonaal patroon

De onderzoekers observeerden wat de deeltjes doen wanneer de korrelgrens krimpt. Ze zagen de grens langzaam door het kristal bewegen, waarbij deeltjes van de ene oriëntatie naar de andere overgingen. Door hiervan foto’s te maken en deze over elkaar te leggen, werd zichtbaar welke deeltjes stilstonden en welke bewogen: stilstaande deeltjes werden een stip, bewegende deeltjes een streep.

Het resultaat was verrassend: sommige deeltjes bleven volledig stilstaan terwijl de korrelgrens passeerde, terwijl andere er in een soort dans omheen bewogen. De stilstaande deeltjes ordenden zich volgens een hexagonaal patroon.

Geometrisch raamwerk

Een belangrijk deel van het geometrische model dat deze beweging beschrijft, werd ontwikkeld aan de Universiteit Utrecht. Tijdens zijn masteronderzoek werkte Mathieu Baltussen samen met Marjolein Dijkstra aan de theoretische uitwerking van de dynamica van korrelgrenzen. Toen zijn experimentele werk tijdens de coronapandemie stilviel, ging Baltussen aan de slag met de wiskundige berekeningen achter de experimenten. Hij ontdekte dat er een geometrische beweging achter de verschuivende korrelgrenzen schuilging, en wist met zijn berekeningen te bepalen welke deeltjes stilstaan en hoe de rest van het systeem beweegt.

“Wij hebben daar vervolgens een model van gemaakt,” zegt Dullens. “Daarmee kunnen we ook voorspellen waar de deeltjes zitten die stilstaan en waar de rest naartoe beweegt. Het enige dat wij nodig hebben, zijn de twee kristalroosters en het oriëntatieverschil ertussen. Ik kan je dan precies vertellen waar al die deeltjes naartoe zullen gaan."

Dislocaties

Het bijzondere is dat het raamwerk niet alleen de beweging van deeltjes voorspelt, maar ook die van dislocaties: verstoringen in het kristalrooster. "Een dislocatie is geen deeltje, maar een verstoring in het rooster die kan bewegen zonder dat individuele deeltjes ver hoeven te bewegen," legt Dullens uit. "Vergelijk het met mensen die iets doorgeven in een rij: het voorwerp gaat helemaal door de rij heen zonder dat iemand echt van zijn plek hoeft te komen."

Toepassingen

Dullens: “Korrelgrenzen hebben grote invloed op de sterkte van een materiaal. Nu we weten hoe deze korrelgrenzen bewegen, kan dit ons in de toekomst helpen bij het ontwerpen van sterkere materialen. Daarnaast biedt dit raamwerk mogelijkheden voor verder onderzoek naar kristallen. Niet alleen in colloïdale materialen, maar we denken dat ons raamwerk ook breder werkt.”

Deze tekst is gebaseerd op een nieuwsbericht van Lottie Pohlmann van de Radboud Universiteit.