donderdag 6 oktober 2011

Een Nobelprijs voor “bijna kristallen”. Wat zijn dat?

Wie zich nog iets herinnert van zijn lessen chemie en fysica uit het middelbaar onderwijs, zal onthouden hebben dat voor het gewone dagelijks leven de materie in drie mogelijke aggregatietoestanden voorkomt: de vaste toestand, de vloeibare toestand en de gasvormige toestand.
En deze drie toestanden verschillen van elkaar door de ordening van de deeltjes waaruit de materie is opgebouwd.
In de vaste toestand zijn die deeltjes sterk geordend.
In de vloeibare toestand is die ordening vrijwel geheel verdwenen en “rollen” de materiedeeltjes over elkaar.  
In de gasvormige toestand is er geen sprake meer van ordening. De materiedeeltjes bewegen los van mekaar.
En we weten dat we door warmte (=energie) toe te voeren de ordening kunnen verbreken en zó van de vaste toestand naar de vloeibare en de gasvormige toestand kunnen overgaan.
Voor de stof water, levert dit het volgende beeld op voor de ordeningsgraad van de H2O-moleculen in ijs, vloeibaar water en waterdamp:

image

De regelmatige rangschikking van de materiedeeltjes in de vaste toestand heeft als gevolgd dat de kristalvorm kenmerkend is voor vaste stoffen.
Vaste stoffen waarvan de deeltjes niet in een mooi regelmatig patroon gerangschikt zijn, zijn geen echte vaste stoffen.
Glas is zo’n geval.
Alhoewel we glas als vaste stof ervaren, is glas voor natuur- en scheikundigen geen echte vaste stof, omdat de deeltjes niet ordelijk gerangschikt zijn. Glas wordt dan ook als onderkoelde vloeistof beschouwd:

image

Bij echte kristallijne vaste stoffen is er nog iets extra op te merken aan die regelmatige rangschikking van de deeltjes: die regelmatige rangschikking herhaalt zich. Ze is periodiek. Zo is hieronder te zien hoe de groen gearceerde kubus zich in een stukje van de kristalstructuur van keukenzout (= natriumchloride = NaCl) zich in de drie ruimterichtingen steeds herhaalt.

image

Zó heb ik het altijd geleerd.
Maar…
In 1982 ontdekte prof. Daniel Shechtman, de Nobelprijswinnaar scheikunde 2011, een nieuwe vorm van rangschikking van de materiedeeltjes bij sommige vaste stoffen: een rangschikking die wel ordelijk was, maar die zich niet herhaalde, die niet periodiek was.
Het ging dus om een vaste vorm die de kristalvorm benaderde, maar ze niet echt was.
Men noemde de vaste stoffen met deze ordening daarom bijna-kristallen of quasicrystals.

File:Quasicrystal1.jpg

Een quasikristallijne ordening bleek vooral voor te komen bij metaallegeringen en bij sommige kunststoffen (polymeren).
De bijzondere eigenschappen van bijna-kristallijne stoffen: hoge hardheid en sterkte, slechte thermische en elektrische geleiding, kleine wrijvingsweerstand, corrosiebestendigheid enz., maken ze onder andere bijzonder geschikt voor chirurgische apparatuur en voor bedekking van... braadpannen.

Nog iets.
De ontdekker van de quasikristallen, prof. Daniel Shechtman, is een Jood.
Het typische patroon van bijna-kristallen is opvallend terug te vinden in… Islamitische Arabische kunstmotieven !  Of hoe een dubbeltje rollen kan...


Geen opmerkingen:

Een reactie plaatsen