ENGINEERINGNET.BE - Deeltjes in een colloïdale vloeistof bewegen voortdurend heen en weer door de Brownse beweging, die veroorzaakt wordt door botsingen met de kleinere moleculen van de vloeistof waarin ze zitten.
Door die beweging scannen ze hun omgeving, zoeken ze naar de meest gunstige positie voor zichzelf en ordenen zich op een rooster: een kristalstructuur. Omdat de colloïden zo groot zijn, bewegen ze zich relatief langzaam. Zo kunnen onderzoekers de individuele deeltjes zien, volgen en manipuleren.
Het bestuderen van korrelgrenzen in een materiaal is lastig, omdat deze als een netwerk aan elkaar zitten en elkaars bewegingen beïnvloeden. De onderzoekers gebruikten daarom een cirkelvormig optisch pincet om een enkele, ronde korrelgrens te maken.
Nadat het gewenste oriëntatieverschil van de kristallen aan de binnen- en buitenkant van de grens is bereikt door te roteren met het optisch pincet, wordt de korrelgrens losgelaten, die vervolgens krimpt. De onderzoekers observeerden wat de deeltjes dan doen.
Ze zagen de grens langzaam door het kristal bewegen, waarbij deeltjes van de ene oriëntatie naar de andere overgingen. Door hiervan foto’s te maken en over elkaar te leggen, werd zichtbaar welke deeltjes stilstonden en welke bewogen: stilstaande deeltjes werden een stip, bewegende deeltjes een streep.
Het resultaat was verrassend: sommige deeltjes bleven volledig stilstaan terwijl de korrelgrens passeerde, terwijl andere er in een soort dans omheen bewogen. De stilstaande deeltjes ordenden zich volgens een hexagonaal patroon.
Mathieu Baltussen van Universiteit Utrecht ontdekte middels wiskundige berekeningen dat er een geometrische beweging achter de verschuivende korrelgrenzen schuilging, en wist met zijn berekeningen te bepalen welke deeltjes stilstaan en hoe de rest van het systeem beweegt.
“Wij hebben daar een model van gemaakt,” aldus Roel Dullens, fysisch chemicus aan de Radboud Universiteit. “Zo kunnen we voorspellen waar de deeltjes zitten die stilstaan en waar de rest naartoe beweegt. Het enige dat wij nodig hebben, zijn de twee kristalroosters en het oriëntatieverschil ertussen."
Het raamwerk voorspelt ook de beweging van dislocaties, een verstoring in het rooster die kan bewegen zonder dat individuele deeltjes ver hoeven te bewegen. Dullens: "Vergelijk het met mensen die iets doorgeven in een rij: het voorwerp gaat helemaal door de rij heen zonder dat iemand echt van zijn plek hoeft te komen."
“Korrelgrenzen hebben grote invloed op de sterkte van een materiaal. Nu we weten hoe deze grenzen bewegen, kan dit ons in de toekomst helpen bij het ontwerpen van sterkere materialen. Niet alleen in colloïdale materialen, we denken dat ons raamwerk ook breder werkt.”
