Je leest:

Nanostof als kristalfabriek

Nanostof als kristalfabriek

Auteur: | 1 april 2004

Wetenschappers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam hebben met computersimulaties ontdekt dat ‘nanostof’ aan de lopende band kristallen kan produceren. Die vinding draagt bij aan een beter begrip van het kristallisatieproces, dat in de chemische industrie een sleutelrol speelt. Dankzij kristallisatie zijn allerlei producten, van kunststof tot bakpoeder, uit oplossing te halen.

Kristallisatie is eigenlijk een heel gemakkelijk proces. Zet maar eens een bakje met een suikeroplossing in de vensterbank. Als het water verdampt, blijft de suiker in kristalvorm over. Niks moeilijks aan. Maar wat er ondertussen is gebeurd, dat blijkt wel degelijk lastig te zijn. Chemici weten eigenlijk niet tot in detail hoe de kristallisatie in zijn werk gaat.

Op macroscopisch niveau is het best te verklaren. Door het verdwijnen van het water wordt de concentratie van de suiker steeds hoger. Op een gegeven moment is er sprake van oververzadiging – er is dan meer suiker in oplossing dan in een chemisch evenwicht mogelijk is. Je zou kunnen zeggen dat de natuur het tijd vind dat de suiker zich gaat afscheiden. Maar – en nu wordt het lastig – dat blijkt meestal nog even op zich te laten wachten. Eerst moeten de suikermoleculen elkaar ‘vinden’ voordat ze netjes tot kristallen kunnen opstapelen. Ondertussen blijft het water verdampen en zo kan een flinke oververzadiging ontstaan voordat zich de eerste kristallen vormen.

Suikerkristallen; ca 10x vergroot Beeld: Oregon State University

Chemici kennen een trucje om de suikermoleculen een handje te helpen bij de kristalvorming. In de oververzadigde oplossing strooien ze kleine suikerkristalletjes, die vervolgens als startpunt of kiem voor de kristallisatie fungeren. Ook vreemde kiemen kunnen de kristallisatie starten. In een vuile oplossing bijvoorbeeld kunnen stofdeeltjes als kiem fungeren. Dat is hoogstwaarschijnlijk wat er gebeurt in het bakje suikerwater op de vensterbank

Simulatie

In de industrie wordt de truc met de kiemen veel toegepast, maar hoe het precies werkt, dat snapt men niet helemaal. Zo is onduidelijk hoe de grootte van het kiemdeeltje de kristalvorming beïnvloedt. Dat was het uitgangspunt voor het onderzoek van Angelo Cacciuto, Stefan Auer en Daan Frenkel van het instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, onderdeel van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).

In plaats van een bakje op de vensterbank gebruikten de Amsterdammers krachtige computers met simulatieprogramma’s. Ze bootsten het kristallisatieproces na aan de hand van virtuele colloïden – kleine harde deeltjes met een doorsnede van honderd tot duizend nanometer (een tienduizendste tot een duizendste millimeter). Dat zijn weliswaar geen moleculen, maar hun gedrag komt er wel mee overeen en zo vormen de colloïden een goed te bestuderen ‘modelsysteem’. Bovendien is het experimenteel goed mogelijk om colloïdale suspensies te maken van glazen of kunststoffen ‘microknikkertjes’, zodat de voorspellingen van de onderzoekers te toetsen zijn met behulp van optische microscopie.

Uit eerder onderzoek van de Amsterdamse groep was gebleken dat de modeldeeltjes op een vlakke wand razendsnel kunnen kristalliseren. Het idee was dat het modelleren van kiemdeeltjes met veel grotere afmetingen dan de colloïdale deeltjes eenzelfde effect zou introduceren. Ten opzichte van een klein colloïd zou zo’n kiem er immers als een tamelijk vlakke wand uitzien. De onderzoekers zetten nu een onderzoekslijn uit waarbij ze met de computer de diameter van de kiemdeeltjes lieten oplopen van ‘minuscuul’ tot ‘bijna een vlakke wand’. Steeds bekeken ze het effect van de gemodelleerde deeltjes op de virtuele kristallisatie

Lopende band

In grote lijnen verliepen de resultaten volgens verwachting: bij toenemende diameter blijken de kiemdeeltjes steeds meer invloed op de kristallisatiesnelheid te hebben. Maar de Amsterdammers stuitten op een merkwaardig fenomeen dat goed was voor publicatie van de onderzoeksresultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature van 25 maart 2004.

Als de straal van de kiem ongeveer tienmaal zo groot is als de straal van de colloïden dan blijkt een soort ‘lopende band’ situatie te ontstaan waarbij de kiemdeeltjes als kristalfabriekje gaan fungeren. Dat gaat zo: aan het oppervlak van het kiemdeeltje ontstaan kristallen, die steeds groter worden. Maar kristallen houden niet van krom, die stapelen zich liever netjes in kubussen of andere geometrische vormen. Het gevolg is dat in het kristal een spanning ontstaat die op een gegeven moment zo groot is dat het kristal loslaat van het kiemdeeltje. Daarna vormt het in de oplossing zelf een kiem waarop verdere kristallisatie mogelijk is. En op het kiemdeeltje begint de kristallisatie weer van voren af aan. Als de onderzoekers de straal van het nanostofdeeltje nog groter maken dan de straal van de colloïden, dan is er wel kristalvorming, maar de gevormde kristallen laten niet los van de kiem. Ze lijken dan immers al een beetje op een vlakke wand.

Met de kennis uit de virtuele computerwereld kunnen nu wetenschappers aan de slag die ‘echte’ kristallisatie onderzoeken. Eerst in modelsystemen met glazen of kunststoffen nanostofbolletjes, later in realistische kristallisatieprocessen. Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft bijvoorbeeld, doen veel toepassingsgericht onderzoek aan industriële kristallisatie. Wellicht dat in de toekomst in zulke processen de efficiënte flink omhoog kan door gebruik te maken van de ‘nanostof kristalfabriekjes’.

Kristalvorming uit colloiden (blauw) aan het oppervlak van nanodeeltjes (geel en rood). Bij de gele deeltjes is de straal zodanig dat de groeiende kristallen als gevolg van spanningen loslaten van het gekromde oppervlak. Ze kunnen elders in de oplossing verder uitgroeien terwijl aan het nanostofdeeltje opnieuw kristalvorming kan plaatsvinden; het fungeert als een ‘kristallenfabriekje’. Bij hele grote nanostofdeeltjes (rood) wordt wel kristalvorming gestimuleerd maar laten de gevormde kristallen niet los van de kiem. Beeld: FOM

Met de kennis uit de virtuele computerwereld kunnen nu wetenschappers aan de slag die ‘echte’ kristallisatie onderzoeken. Eerst in modelsystemen met glazen of kunststoffen nanostofbolletjes, later in realistische kristallisatieprocessen. Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft bijvoorbeeld, doen veel toepassingsgericht onderzoek aan industriële kristallisatie. Wellicht dat in de toekomst in zulke processen de efficiënte flink omhoog kan door gebruik te maken van de ‘nanostof kristalfabriekjes’.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 april 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.