17 feb. 1999
2 minuten
FOM-onderzoekers hebben ontdekt dat plastische kristallen, die een bijzondere vorm van materie vormen, gemaakt kunnen worden met behulp van staafvormige deeltjes. De kristallen kunnen bijvoorbeeld van pas komen in kleurenbeeldschermen op basis van elektronische inkt..
In een publicatie in Nature Communications laten FOM-oio Thijs Besseling en FOM-postdoc dr. Bing Liu samen met hun Utrechtse collega’s zien dat zij plastische kristallen kunnen maken met behulp van staafvormige deeltjes. Liu en Besseling deden hun onderzoek onder leiding van FOM-werkgroepleider prof.dr. Alfons van Blaaderen en dr. Arnout Imhof.
Vast, maar vloeibaar
Plastische kristallen zijn de broertjes van de wat bekendere vloeibare kristallen. In plastische kristallen zijn langwerpige moleculen op een regelmatig driedimensionaal rooster geordend, zoals het geval is in een vaste stof. Daarentegen kunnen de deeltjes wel vrij roteren, net als in een vloeistof. Dat komt doordat de deeltjes elektrisch geladen zijn, waardoor ze elkaar afstoten. Dat schept net genoeg bewegingsvrijheid om te kunnen draaien. Het resultaat is een bijzondere aggregatietoestand die tussen de vloeibare en vaste fase in zit. De stof is vast, maar tegelijkertijd zo beweeglijk dat sommige plastische kristallen inzakken onder hun eigen gewicht.
De FOM-onderzoekers hebben een dergelijke fase nu voor het eerst gevormd met colloïden, deeltjes met een afmeting tussen één en duizend nanometer. Hun werk maakt het mogelijk om de bijzondere fase van de plastische kristallen kwantitatief op deeltjesniveau te onderzoeken.
Glasfase
Hun onderzoek leidde tot de creatie van een plastische glasfase. Dit is een fase waarin de deeltjes nog wel roteren, maar ze zich niet in een regelmatig rooster bevinden. Toch gedraagt het materiaal zich als een vaste stof.
De onderzoekers ontdekten dat het mogelijk is deze fase met een extern elektrisch veld om te zetten in een 3D-kristal, waarin wel een strikte orde bestaat. Het elektrische veld zorgt er allereerst voor dat de vrije rotaties verdwijnen. Onverwachts heeft dit ook tot gevolg dat de staafjes zich aan een regelmatig 3D-rooster conformeren. Dit proces is omkeerbaar: zodra het elektrisch veld verdwijnt, keert de plastische glasfase terug.
De vondst biedt nieuwe mogelijkheden om de glasovergang te onderzoeken. Dat kan interessante nieuwe inzichten opleveren, aangezien de glasfase nog niet goed wordt begrepen. De Utrechtse groep is al begonnen met de eerste stappen in een onderzoek dat deze fase moet verhelderen.
In hun publicatie laten de onderzoekers ook zien dat het schakelbare gedrag van de plastische glasfase interessant is voor toepassingen in beeldschermen (net als bij vloeibare kristallen). De plastische kristallen zouden bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden in een kleurenbeeldscherm op basis van elektronische inkt.
In de afbeeldingen geeft g de richting van de zwaartekracht weer (bij de eerste twee afbeeldingen wijst de zwaartekracht naar voren, de afbeelding uit). E geeft de richting van het elektrisch veld weer.