Het ‘nieuwe’ kwasikristal

Ooit heb ik op een zolderver-dieping van een gebouw van  de Duitse normorga-nisatie TÜV in het toen nog verdeelde Berlijn een praatje van een wat vreemde man (naam helaas vergeten) gehoord, die beweerde dat kristallen eigenlijk niet bestaan. “Flauwekul”, zei een collega-journalist van de NRC tegen me, maar ik vond het wel wat hebben, dat tegen de grote stroom op roeien. Gaandeweg lijkt de man stukje bij beetje een deel van gelijk te krijgen. Lang niet alle stoffen rangschikken zich in de vaste toestand in de regelmatige kristalvorm. De bekendste voorbeelden daarvan zijn natuurlijk de glazen (het glas), die eigenlijk beschouwd worden als ‘vaste vloeistoffen’. Glas vloeit ook echt. Dan heb je nog de kwasikristallen, die wel kristallijn zijn maar niet regelmatig. Bij de universiteit van Notre Dame (VS)  hebben onderzoekers per ongeluk zo’n nepkristal gemaakt: een tweedimensionaal nepkristal bestaand uit zelforganiserende of eigenlijk zelfassemblerende) organische moleculen.
Dat kwasikristal bestaat uit een enkele laag van vijfkantige moleculen. In die lagen vormen die moleculen groepen, verbonden door waterstofbruggen, in allerlei patronen zoals vijfhoeken, staafjes en sterren. In een normaal kristal worden die vormen steeds weer herhaald op een voorspelbare manier. In dit kwasikristal zit geen regelmaat.
Volgens de onderzoekers zijn de zelfassemblage en het feit dat het om organische verbindingen gaat het opmerkelijke aan deze nepkristallen. “Ze zijn anders dan anders”, zegt fysisch chemicus   Alex Kandel van de Notre Dame-universiteit. Kwasikristallen die tot nu toe zijn gezien, bestaan meestal uit metalen of metaalverbindingen, waar de veel sterkere ionenbindingen heersen en niet de veel zwakker waterstofbruggen.
Het eerste kwasikristal werd in 1982 ook per ongeluk gemaakt door Daniel Schechtman , die daarvoor in in 2011 de Nobelprijs ontving. Tot dan toe werden kwasikristalllen niet voor mogelijk gehouden. Dat blijkt (dus) pertinente nonsens. Ze zijn, zoals bewezen, in het lab te synthetiseren, maar komen ook in de natuur voor. In 2012 liet Paul Steinhardt van de Amerikaanse Princeton-universiteit zien dat in het oosten van Rusland gevonden meteorieten, kwasikristallen bevatten.

Zoals gezegd ontdekte Kandel de kwasikristallen per ongeluk. Hij was op zoek naar de elektronenverdeling in ferroceencarbonzuur (een verbinding tussen ferroceen en een organisch zuur), waaruit het kwasikristal is opgebouwd.  “De eerste beelden waren schokkend”, zegt Kandel. “Tweedimensionale kwasikristallen zijn niet makkelijk te maken. Je ziet er nu pas artikelen over, zo’n 30 jaar na de ontdekking van kwasikristallen.” Zijn Duitse collega  Wolf Widdra van de Martin Luther-universiteit, die in oktober een kwasikristal maakte, is wat skeptisch. Hij denkt dat er niet genoeg bewijs is voor een kwasikristallijne structuur over een groot oppervlak. Ook over wat zelfassemblage nu precies inhoudt bestaat onenigheid. Volgens Kandel vindt zelfassemblage niet plaats onder invloed van sterke chemische bindingen. Volgens hem leggen die grote krachten hun ‘wil’ op aan de diverse bouwstenen van de vaste stof. In dit kwasikristal heersen de zwakke waterstofbruggen. “Zelforganisatie is interessant omdat de krachten die tot die organsatie leiden zwakker zijn dan die verantwoordelijk zijn voor de chemische structuur”, zegt Kandel. Dan vraag ik me vervolgens of hoe het dan bij die metallische kwasikristallen zit, maar dat zal wel een domme bedenking zijn.

Bron: Wired