Ultrasone geluidsgolven kunnen kleine koolstofdeeltjes op zo’n manier organiseren dat het patroon zichzelf nooit herhaalt. Dat heeft een team van wiskundigen en ingenieurs laten zien.

Wetenschappers hebben een manier gevonden om met geluidsgolven die te hoog zijn voor menselijke oren, zogenoemde ultrageluidsgolven, deeltjes in een zelfgekozen ‘quasiperiodiek’ patroon te brengen. De meeste kristallen die we kennen zijn periodiek gerangschikt, wat betekent dat de structuur van hun atomen en moleculen herhalend is. Maar er bestaan ook kristallen die wel regelmatig herhalend lijken, maar dat in werkelijkheid niet zijn: quasiperiodieke kristallen, oftewel quasikristallen.

‘Quasikristallen zijn interessant om te onderzoeken omdat ze eigenschappen hebben die gewone kristallen niet hebben’, zegt wiskundige Fernando Guevara Vasquez van de Universiteit van Utah in de VS. ‘Ze blijken bijvoorbeeld stugger dan vergelijkbare periodieke materialen. En ze geleiden elektriciteit op een andere manier.’

Prachtige patronen

Al eerder kon Guevara met z’n collega’s periodieke structuren maken. Vier apparaten die ultrageluid produceren waren genoeg om de deeltjes periodiek op hun plek te ‘trillen’.

Nu gebruikten de onderzoekers acht apparaten die ze opstelden in de vorm van een achthoek. Het team loste kleine koolstofnanodeeltjes op in water. Toen de ultrageluid-apparaten aangingen, leidden de geluidsgolven de kooldeeltjes naar hun plek. Een quasiperiodiek patroon ontstond.

De opstelling van acht apparaten die ultrasoon geluid produceren. In het midden zie je een reservoir met koolstofnanodeeltjes opgelost in water. Beeld: Fernando Guevara Vasquez

Robuust

De volgende stap zou zijn om daadwerkelijk een materiaal met een quasiperiodiek patroon te fabriceren. Dat zou niet moeilijk zijn, zegt Guevara, als we de deeltjes in plaats van in water in een polymeer oplossen, dat uithardt zodra de deeltjes op hun plaats zitten.

‘Het idee was al langer bekend’, zegt hoogleraar nanomaterialen Marjolein Dijkstra van de Universiteit Utrecht. ‘Eerder konden wetenschappers quasikristallen bijvoorbeeld met laserstralen maken. Wel is het leuk dat ze nu een ander systeem gebruikten, namelijk ultrasone geluidsgolven.’

‘Bij andere technieken om quasikristallen te maken was het moeilijk om de eigenschappen te controleren,’ zegt quasikristalonderzoek Da Wang van de Universiteit Antwerpen en de Universiteit Utrecht, eveneens niet verbonden met deze studie. ‘Dit onderzoek geeft een heel robuuste manier weer, die verschillende vormen en symmetrieën in de kristallen kan verwerken.’

Ideale kandidaten

Het is nog precies niet duidelijk waartoe deze materialen in staat zijn. Bekende toepassingen van quasiperiodieke materialen zijn onder meer anti-aanbaklagen, dankzij hun lage wrijvingscoëfficiënten, en coatings die isoleren tegen warmteoverdracht, zegt Guevara’s collega Elena Cherkaev, die hoogleraar wiskunde is.

‘Quasikristallen zouden ook een ideale kandidaat zijn voor optische vezels, waarin je licht gebruikt om informatie over te dragen’, zegt Wang. Er zijn genoeg mogelijkheden, want afhankelijk van hoe je de ultrasone apparaten neerzet en aandrijft, veranderen de eigenschappen.

Leestip: Meer weten over deeltjes? In deze special leggen we alles kristalhelder uit! Bestel in onze webshop.