Je leest:

Onderzoekers maken metaal transparant

Onderzoekers maken metaal transparant

Auteur: | 5 augustus 2009

Een metaal dat zijn sterkte behoudt, maar wel doorzichtig is. Deze Star Trek-wetenschap wordt door de werkelijkheid benaderd, nu wetenschappers in Oxford erin zijn geslaagd om aluminium tijdelijk doorzichtig voor ultraviolet licht te maken. Doorzichtige auto’s zijn nog niet in zicht, maar de binnenkant van een ster kan nu in het laboratorium worden nagebootst.

‘Een nieuwe toestand van materie,’ noemt Oxford-professor Justin Wark het stukje aluminium in zijn laboratorium. Met een team van wetenschappers slaagde hij erin om een klein stukje metaal tijdelijk transparant te maken voor diep ultraviolet licht. Dit licht, dat normaal gesproken door metaal wordt weerkaatst, kan dankzij de nieuwe ontdekking ongehinderd door het aluminium heen. En dat zonder de structuur van het metaal te veranderen.

De experimentele opstelling.
University of Oxford

Om deze bijzondere toestand te bewerkstelligen, gebruikten de onderzoekers een van de krachtigste lasers ter wereld. Deze FLASH-laser, die in het Duitse Hamburg staat, produceert extreem korte pulsen die meer energie per tijdseenheid bevatten dan een centrale die een hele stad van stroom moet voorzien kan produceren. Al die energie werd dan ook nog eens gebundeld op een speldenpuntje dat ongeveer twintig keer kleiner is dan de doorsnede van een haar.

De laserpulsen die de onderzoekers gebruikten zijn korter dan een biljoenste van een seconde. Als zo’n puls op het plaatje aluminium terecht komt, reageert het metaal op de plotselinge verandering door energie op te nemen in zijn elektronen. Die springen dan naar een hogere energietoestand. Het bijzondere van dit experiment is dat de elektronen die de energie absorberen heel dicht bij de kern van het atoom zitten: die elektronen kunnen alleen op een lichtpuls reageren als er extreem veel energie in zit.

FLASH in Hamburg is een vrije-elektronenlaser. Dat wil zeggen dat het laserlicht wordt opgewekt door een bundel elektronen die tot vlakbij de lichtsnelheid wordt versneld. De bundel wordt door magneten afgebogen, waardoor de elektronen straling gaan uitzenden. FLASH is één van de krachtigste lasers ter wereld.
DESY

Als bij alle aluminiumatomen de elektronen zijn aangeslagen spreken we van verzadigde absorptie. Het aluminium is nu niet meer in staat om nog meer energie op te vangen, en het licht dat er nog op valt wordt dan ook doorgelaten. Het aluminium is doorzichtig geworden voor de kleur licht van de pulsen: in dit geval op het grensvlak tussen ultraviolet licht en röntgenstraling.

Nadat de puls voorbij is keert het aluminium weer terug naar zijn gewone toestand. Dat gaat via twee wegen (zie afbeelding hieronder): er kan straling plaatsvinden als elektronen weer terugvallen naar hun oorspronkelijke schil om het atoom, en er kan zogenaamd Auger-verval plaatsvinden. Hierbij valt het elektron terug naar zijn oude plek, maar de energie die daarbij vrijkomt wordt niet uitgezonden maar doorgegeven aan een elektron in een van de buitenste schillen. Dat elektron wordt dan uit het atoom gestoten. Het Auger-proces duurt aanmerkelijk langer dan terugval met straling, en dat betekent dat de energie een tijdje lang opgesloten blijft in het aluminium. Het aluminium is daarom heel even heel erg heet, terwijl alle atomen nog wel op hun gewone plek in het kristalrooster zitten en het metaal dus niet gesmolten is.

Een aangeslagen elektron uit een schil die dicht bij de atoomkern zit, kan op twee manieren terugvallen.

Bij de eerste manier (links) valt het elektron terug, waarbij energie vrijkomt in de vorm van een foton, een lichtdeeltje. Dit is radiatief verval.

De andere manier waarop een elektron terug kan vallen naar zijn oorspronkelijke plek heet Auger-verval (rechts). Hier geeft het elektron dat terugvalt naar zijn plaats zijn vrijgekomen energie door naar een elektron in de buitenste schil van het atoom, dat daardoor uit het atoom wordt gestoten.

Het hete aluminium is het bestuderen waard, want zulk soort toestanden komen ook in sterren, planeetkernen en kernfusiereactoren voor. Tot nu toe was het onmogelijk om zo’n materiaal in een laboratorium te bestuderen, omdat de omstandigheden om die toestand op te wekken niet haalbaar leken. Nu blijkt het simpeler dan gedacht, hoewel de krachtpatser-laser die ervoor nodig is nog niet voor veel mensen bereikbaar is.

Bron: Turning solid aluminium transparent by intense soft X-ray photoionization, Bob Nagler et al., Nature Physics 1341

Zie verder:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 augustus 2009

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.