Utrecht maakt stapelgek kristal

De sinaasappels van de groenteboer zullen er niet snel anders door komen te liggen, maar Utrechtse onderzoekers hebben ontdekt dat de natuur bollen soms spontaan liever in een exotisch patroon stapelt dan in de overbekende fruitpiramides als op de markt.

Beeld UU

In het blad Nature Materials laten de onderzoekers clusters van tot wel honderdduizend kleinere nanobolletjes van kobalt-ijzeroxide zien met een zogeheten isocahedrische ordening. Dat is een onregelmatige kristalvorm, waarvan de basiseenheid 20 driehoekige kanten heeft, 30 ribben en 12 punten. De supradeeltjes worden gemaakt door ze in druppeltjes vloeistof op te sluiten.

Bijzonder aan de gevonden ordening is dat die symmetrisch is in vijf richtingen, terwijl wiskundig vaststaat dat met zoiets nooit een ruimte helemaal is op te vullen. Pas als er meer dan honderdduizend bolletjes bij elkaar worden gepakt, blijkt de gangbare piramidestapeling de voorkeur te krijgen. Iedere volgende laag bollen ligt daarbij in de kuiltjes van die eronder.

Al in 1611 schreef Johannes Kepler dat die stapeling de efficiëntste is die er bestaat. Bewijzen bleek echter een ander verhaal; pas vorige maand bewees de Amerikaanse wiskundige Thomas Hales dit definitief, zij het met een grootschalige inzet van computerkracht.

Dat de natuur in het Utrechtse supradeeltje toch voor exotische stapelingen kiest is een rechtstreeks gevolg van de bolvorm die het als geheel opgelegd wordt, zegt hoofdauteur Marjolein Dijkstra van het Debye Instituut in Utrecht. 'De begrensde druppel legt voorwaarden op aan de stapeling, die voor sommige nanobolletjes misschien ongelukkig uitpakt, maar voor het geheel toch aantoonbaar gunstiger is.' De kristalvorm is alleen bekend van bolletjesstapelingen die elkaar aantrekken; dat is hier niet het geval.

De vreemde Utrechtse clusters van vele tienduizenden of honderdduizenden nanobolletjes werden al drie jaar geleden in het Utrechtse laboratorium van Alfons van Blaaderen gemaakt. Daarbij bleek ook dat de kristalvorm afhangt van de grootte van de druppel.

Sindsdien hebben de onderzoekers naar een verklaring gezocht voor de opmerkelijke kristalvorm, voornamelijk via computersimulaties.

Echt fundamenteel is die verklaring er ook nu nog niet, zegt de Nederlandse vaste-stoftheoreticus Daan Frenkel in Cambridge. 'Maar hun simulaties laten zien dat de mate van ordening van het geheel, de entropie, inderdaad de gunstigste is. Gunstiger dan de Keplerstapeling. Mooi werk.'

Dat doet, benadrukt hij, niets af aan de klassieke, meest efficiënte stapeling. 'Er is niks mis met Kepler, maar dat is wiskunde. Dit is de natuur.' Ook de Utrechtse oud-hoogleraar fysische chemie Henk Lekkerkerker benadrukt dat. 'Entropie wint het altijd.'

Volgens de Utrechtse onderzoeksgroep biedt de vondst zicht op interessante toepassingen. Door de ongewone kristalvorm hebben materialen met zulke supradeeltjes waarschijnlijk bijzondere optische eigenschappen. 'Denk aan coatings voor zonnecellen, die extra licht invangen', zegt Dijkstra.

Beeld UU
Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden