Gestapelde nanoballetjes nemen bijzondere structuur aan

Datum: 31 augustus 2020

Inleiding: Antwerpse en Utrechtse onderzoekers lossen mysterie op met de hulp van elektronenmicroscopen.

Het stapelen van ballen houdt wetenschappers nog steeds bezig. Antwerpse en Utrechtse onderzoekers stellen nu vast dat gestapelde ‘nanoballetjes’ een specifieke structuur hebben. Dat opent de deur voor onder meer nieuwe telecommunicatietoepassingen.

De manier waarop ballen in drie dimensies gestapeld kunnen worden, lijkt een eenvoudig onderwerp. Je zou bijvoorbeeld kunnen bedenken hoe je zoveel mogelijk pingpongballetjes in een bokaal kan stoppen. Echter, hoe kleiner de ballen, hoe moeilijker het is om een antwoord te vinden. Stapeling van ballen is dan ook nog steeds zeer een intrigerend probleem, niet alleen in natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde, maar ook in wiskunde.

Exotische structuur
Als men probeert om twaalf ballen rond een centrale bal te stapelen, dan leidt de meest efficiënte manier tot een zogenaamde icosaëder. Deze exotische structuur inspireerde wetenschappers om te onderzoeken hoe de stapeling er uit ziet wanneer je ongeveer 10 000 nanodeeltjes wil gebruiken. Een nanodeeltje is ongeveer honderdduizend keer kleiner dan een pingpongbal.

Nanoballetjes
Illustratie van een mix van nanodeeltjes die een driedimensionale icosahedrale structuur vormen. De verschillende kleuren komen overeen met balletjes die verschillende diameters hebben. Gele stippellijnen illustreren de vijfvoudige symmetrie.

Dit mysterie werd onlangs opgelost dankzij een samenwerking tussen onderzoekers van de Soft Condensed Matter-groep van de Universiteit Utrecht, wetenschappers van het Departement Chemie van de Universiteit van Pennsylvania en de EMAT-groep van de Universiteit Antwerpen. De resultaten van het onderzoek werden deze week gepubliceerd in het toonaangevende tijdschrift Nature Physics.

Bolvormige druppels
“We onderzochten mengsels van nanoballetjes met twee verschillende diameters”, legt prof. Sara Bals (UAntwerpen) uit. “De bolletjes werden daarbij opgesloten in bolvormige druppels van olie en water. Het is erg uitdagend om de stapeling van zulke kleine deeltjes in drie dimensies te bepalen en daarom werden onze krachtige elektronenmicroscopen gebruikt. De techniek die gebruikt werd, heet elektronentomografie en laat toe om nanomaterialen in drie dimensies te bekijken. Uit deze resultaten bleek dat de stapeling afwijkt van de structuur die je zou verwachten voor klassieke kristallen. De icosahedrale structuur die geobserveerd werd, is namelijk sterk verwant met quasi-kristallen die een vijfvoudige symmetrie vertonen, wat klassiek ’verboden’ is.”

Deze nieuwe inzichten leiden niet alleen tot nieuw fundamenteel begrip over kristallisatie, maar laten de wetenschappers ook toe om ’fotonische kristallen’ te maken. Deze structuren komen in de natuur voor in het mineraal opaal of in de vleugels van een vlinder. Bals: “Door fotonische kristallen te groeien met nanodeeltjes, kan de voortplanting van licht beïnvloed worden. Dat laat toe om speciale coatings te maken zoals verf die van kleur verandert afhankelijk van de richting waarlangs je kijkt. Ook binnen de telecommunicatie zijn er toepassingen.”



Link: https://doi.org/10.1038/s41567-020-1003-9