Chaos van boven, orde van opzij: nieuw materiaal tart regels
Sommige materialen gedragen zich anders dan je zou verwachten. Ze breken onverwacht of reageren op manieren die lastig te verklaren zijn. Vaak ligt de oorzaak in hun atomaire opbouw: is die netjes geordend, zoals bij een kristal, of juist chaotisch, zoals bij glas? Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben nu een bijzonder materiaal ontwikkeld dat beide eigenschappen combineert. In twee richtingen is het ongeordend, terwijl het in de derde richting juist perfect gestructureerd is. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Communications.
In de materiaalkunde maken onderzoekers al ruim een eeuw onderscheid tussen kristallijn en amorf. Kristallen, zoals zout of diamant, hebben een strak herhalend patroon van atomen. Amorf materiaal, zoals glas, mist die langeafstand-orde. “Dat onderscheid gebruiken we dagelijks”, zegt UT-onderzoeker Mark Huijben. “Maar we nemen vaak aan dat orde of wanorde een eigenschap van het hele materiaal is. Ons werk laat zien dat het ook een kwestie van richting kan zijn.”
Orde en chaos in één materiaal
Het nieuwe materiaal bestaat uit extreem dunne lagen zonder herhalend patroon in het vlak. Amorf dus. Maar die lagen liggen wel perfect periodiek op elkaar gestapeld. Kijk je naar het vlak van zo’n laag, dan zie je chaos. Kijk je loodrecht op de stapel, dan zie je orde tussen alle lagen. Onderzoeker André ten Elshof vergelijkt het met een stapel papier: “Elk vel kan willekeurig beschreven zijn. Van bovenaf zie je geen patroon. Maar de stapel zelf ligt kaarsrecht. Dat is wat we hier op atomaire schaal zien.”
Hoe bewijs je echte wanorde? Een belangrijke vraag was hoe je kunt aantonen dat er nergens toch een verborgen patroon aanwezig is. Met behulp van een elektronenmicroscoop brachten de onderzoekers de posities van atomen in kaart. Daarnaast gebruikten ze röntgenstraling om te onderzoeken of er op grotere schaal sprake was van herhaling.
Klik op de afbeelding om de verschillende perspectieven te bekijken.
Een kristal verraadt zich daarbij door scherpe, vaste patronen in de verstrooiing van het röntgenlicht. Een amorf materiaal geeft juist diffuse signalen zonder vaste herhaling. In dit materiaal zagen de onderzoekers beide tegelijk: scherpe signalen in één richting en diffuse patronen in de andere twee. “We wilden absoluut zeker weten dat we geen subtiele herhaling over het hoofd zagen”, zegt ten Elshof. “Nu kunnen we aantonen dat ‘geen herhaling’ ook echt bewijsbaar is.”
Nieuwe kijk op materialen Volgens Huijben laat dit onderzoek zien dat de traditionele scheiding tussen amorf en kristallijn minder strikt is dan gedacht. “We zagen die twee lange tijd als uitersten,” zegt hij. “Maar dit materiaal bewijst dat ze in één structuur kunnen samengaan.” Daarmee verschuift het beeld van orde en wanorde: het is geen zwart-witverschil, maar hangt af van hoe je kijkt.
Dat inzicht is niet alleen fundamenteel interessant, maar ook praktisch relevant. “Veel moderne materialen ontlenen hun eigenschappen aan structuren die ergens tussen amorf en kristallijn in zitten,” zegt ten Elshof. “Dit helpt ons om materialen gerichter te ontwerpen en hun prestaties te verbeteren voor specifieke toepassingen.”
We gebruiken cookies om ervoor te zorgen dat onze site zo soepel mogelijk draait. Als je doorgaat met het gebruiken van deze site, gaan we ervan uit dat je ermee instemt.
