Amsterdam (NL) – Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam en het Debye instituut van de Universiteit Utrecht maken colloïden met een veranderlijke vorm. Verandert daarmee ook het gedrag?

Melk, verf, mayonaise: colloïden spelen een belangrijke rol in veel alledaagse materialen. Meestal zijn de minuscule deeltjes in die oplossingen rond. De Amsterdamse en Utrechtse onderzoekers veranderen de vorm van de deeltjes door ze te bestralen met ionen, zo beschrijven ze komende week in het vakblad Advanced Materials.

Witte verf en melk danken hun kleur aan de verstrooiing van licht door de colloïdale deeltjes die in vloeistof rondzweven. Colloïden hebben een diameter van ongeveer een micrometer (eenduizendste millimeter). Colloïden zijn bijna altijd rond. Tot nu toe bestond er geen betrouwbare productietechniek die gericht deeltjes met een andere vorm oplevert. Met de nieuwe bestralingstechniek kan dat wel, en dat levert nieuwe mogelijkheden op.
De onderzoekers van AMOLF ontdekten dat de vorm van colloïdale glasdeeltjes verandert bij bestraling met xenonionen. De deeltjes zetten uit in de richting loodrecht op de ionenbundel en krimpen in de richting van de bundel. Zo ontstaan ellipsvormige deeltjes (‘smarties’); het volume van de deeltjes blijft constant. De vervorming van de deeltjes neemt gelijkmatig toe met het aantal ingeschoten ionen en kan zo precies worden gekozen. Opeenvolgende bestralingen onder verschillende richtingen leveren andere vormen. Zo ontstonden bij twee onderling loodrechte bestralingen sigaarvormige deeltjes.
In het artikel beschrijven de natuurkundigen ook hoe de continue vervorming ontstaat. Op hun weg door de colloïden verliezen de ionen energie, die in warmte wordt omgezet. Als de snelheid van de ionen groot genoeg is (meer dan een miljoen meter per seconde) ontstaat langs het pad dat het ion door een deeltje aflegt gedurende een korte tijd (eenhonderste van een miljardste seconde) een cilindervormig gebied met een temperatuur hoger dan 1000°C. Dit cilindervormige gebied zet uit in de richting loodrecht op de ionenbundel. Voor een vervorming van 100% zijn zo’n miljoen ionen per colloïde nodig; dat is met een deeltjesversneller eenvoudig te realiseren. Deeltjesversnellers zijn tegenwoordig standaardinstrumenten in bijvoorbeeld de silicium-chipindustrie. Op dit moment bestuderen de onderzoekers hoe ze de techniek kunnen optimaliseren, zodat ze per keer zoveel mogelijk van de gewenste deeltjes kunnen maken.

Silica-glascolloïden vóór (boven) en na (onder) bestraling met 4 MeV-xenonionen. De deeltjes hadden oorspronkelijk afmetingen van respectievelijk 300 nanometer en 1 micrometer. Na de bestraling is de lengte-breedteverhouding 1,9 geworden.

Na bestraling moeten de ellipsvormige deeltjes in een oplossing laten zien of ze een colloïdale oplossing met een veranderd gedrag opleveren. Sommige vloeibaar-kristallijne structuren zijn tot nu toe alleen met de computer voorspeld, maar kunnen nu dan ook experimenteel worden getest. Daarnaast verwachten de onderzoekers dat de techniek toepassing vindt in fotonische kristallen. Die kristallen kunnen licht manipuleren en zullen daarom belangrijk gaan worden in opto-elektronische toepassingen, zoals lasers, lichtversterkers en optische computers. Volgens berekeningen verloopt de uitdoving van bepaalde kleuren licht beter in anisotrope (dat wil zeggen niet volledig symmetrische) kristallen dan in gewone kristallen. Modelexperimenten moeten ook het gedrag van ellipsvormige biomoleculen (eiwitten, virussen) verduidelijken.
Volgens Albert Polman en Alfons van Blaaderen, de onderzoekleiders van dit project, ontstond het idee voor deze experimenten bij toeval, aan de koffietafel. “Tot onze grote verrassing brengt het nu materiaalfysici, colloïdchemici en biofysici bij elkaar. We staan nog maar aan het begin van een reeks hele interessante toepassingen die verscheidene vakgebieden met elkaar kunnen verbinden.”

Erick Vermeulen