Een onderzoeker heeft een weddenschap gewonnen door een experiment uit te voeren waarvan een collega zei dat het niet zou werken. Het resultaat was het grootste quasikristal aller tijden.
Na ongeveer een week schudden, rangschikten duizenden metalen kralen van een millimeter groot zich tot een bijzondere structuur die een quasikristal wordt genoemd – het grootste exemplaar tot nu toe. Met deze proef won de onderzoeker die erachter zat een weddenschap.
Een kristal ontstaat wanneer de bouwstenen ervan in een herhalend patroon gerangschikt zijn, zoals de perfecte roosters van atomen in zoutkristallen. In quasikristallen herhalen sommige ordeningen zich wel, maar nooit op een uniforme of voorspelbare manier.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Metalen bolletjes
Quasikristallen werden voor het eerst geopperd en gemaakt in het begin van de jaren 1980. Sindsdien zijn er honderden gemaakt in laboratoria, en is er een handvol gevonden in de natuur. Onderzoekers wisten al dat je deeltjes ter grootte van een nanometer of micrometer in een quasikristallijne vorm kunt ordenen, maar natuurkundige Giuseppe Foffi van de Université Paris-Saclay en zijn collega’s wilden voorwerpen gebruiken die minstens duizend keer groter waren.
Ze goten bijna vierduizend metalen bolletjes van 2,4 of 1,2 millimeter groot in een ondiepe doos waar ze een platte, bijna tweedimensionale configuratie vormden. De onderzoekers besloten hoeveel van de beide formaten bolletjes ze wilden gebruiken op basis van langdurige computersimulaties van het schudden.
In het experiment voerden ze dit schudden uit met een frequentie van 120 hertz. Terwijl de kralen constant werden geschud, zodat ze nooit in evenwicht kwamen, filmden de onderzoekers de doos 170 uur lang.
Weddenschap
‘Dit begon als een weddenschap met een collega die zei dat het niet zou werken, maar ik zei: waarom zouden we het niet proberen, misschien is het interessant’, zegt Foffi. En hij won de weddenschap – de kralen rangschikten zichzelf tot een dun quasikristal.
Het patroon had drie basiselementen: driehoeken van grote kralen met een kleinere ertussen, en grote kralen in een vierkant in het midden met ofwel één, ofwel vier kleinere kralen. Door een zorgvuldige wiskundige analyse van opnames en beelden van het experiment stelden de onderzoekers vast dat deze vormen het oppervlak van de tafel bedekten een zichzelf-niet-herhalend patroon.
Natuurkundige Ron Lifshitz van de Tel Aviv-universiteit in Israël zegt dat grote quasikristalpatronen zijn waargenomen op het oppervlak van trillende vloeistoffen, waar ze ontstaan uit botsingen tussen golven, maar ze zijn nog nooit gezien in een verzameling van zulke grote deeltjes of korrels. ’Trillende korrelige materie, zoals zand, gedraagt zich vaak als een vloeistof, en dus was het te verwachten dat we uiteindelijk quasikristallijne patronen zouden waarnemen. Dit [experiment] is erg opwindend’, zegt hij.
Harde kralen
Er zijn veel soorten quasikristallen gemaakt, variërend van kleine, plakkerige deeltjes tot metaallegeringen, maar een exact recept bedenken om een specifiek quasikristal te maken blijft een uitdaging, zegt natuurkundige Alastair Rucklidge van de Universiteit van Leeds. Dit komt deels doordat onderzoekers moeten bepalen in welke gevallen een systeem het stabielst is als een quasikristal. Dat is een vraag die erg ingewikkeld is voor verzamelingen deeltjes die altijd in beweging zijn of vaak botsen, zoals grote en harde kralen. Foffi zegt dat de opstelling van zijn team ook zou kunnen helpen bij het maken van quasikristallen met andere soorten bouwstenen, maar dat het dan nog langer zou kunnen duren.
‘Er zijn een aantal zeer interessante quasikristallen, zoals die in een systeem van water en een aantal chemicaliën, niet zo heel veel anders dan een sladressing, en in metaallegeringen. Maar in alle gevallen verbinden we alleen de punten, en zien we het quasikristal pas aan het einde van het experiment. De volgende stap is om de andere kant op te gaan: beginnen met een quasikristal en dan een systeem bouwen dat het gaat maken’, zegt Rucklidge.
