Door te spelen met de vorm van magneten zijn onderzoekers van de Universiteit Twente erin geslaagd kristalstructuren te maken. De ontdekking kan helpen ontwerpregels te maken voor nieuwe kristalstructuren op microniveau. 

Het aantrekken en afstoten van magneten met hun plus- en minpolen zijn het spel van de magneetballetjes waarmee je structuren kan bouwen. 

Dit principe gebruikten de onderzoekers om magnetische deeltjes zelf structuren te laten vormen, self-assembly. Ze verpakten magnetische bolletjes in geometrisch gevormde plastic omhulsels en plaatsten ze in een turbulente waterstroom om te zien welke structuren de magneten zouden vormen. Met deze experimentele opstelling vonden ze de kirteria om kristallen te maken van magneten. Ze publiceerden de resultaten afgelopen week in het wetenschappelijk blad Science Advances.

 

Bollen, kubussen en cilinders

Het onderzoek begon met het idee kristallen te maken van magneetballen, zegt Leon Abelmann, een van de onderzoekers van het team. 'Collega's konden eigenlijk niet geloven dat dat mogelijk was. Magneetballen vormen een ketting en als ze lang genoeg zijn kunnen ze een ring vormen, maar geen kristal.' Dus gingen de onderzoekers de uitdaging aan.

Bij de zelf-assemblage van de structuren proberen de magneten zich te organiseren op een manier die zo min mogelijk weerstand kost. Denk bijvoorbeeld aan een speelgoedtreintje. Van de wagonnetjes kan je een lange trein maken als je ze kop-staart verbindt. De magneten zijn nu parallel georiënteerd. Je zou ze ook zij aan zij naast elkaar kunnen plakken en een soort plaat van wagonnetjes vormen, als je er maar voor zorgt dat je de min- en pluspolen afwisselt. Nu liggen de magneten antiparallel. Wat kost de meeste energie? Of kost het evenveel energie? Dát bepaalt de vorm.

Nu zijn de magneten in het speelgoed niet sterk genoeg om elkaar af te stoten of aan te trekken als ze naast elkaar liggen. De magneten in het lab van Abelmann zijn dat wel. De onderzoekers gebruikten plastic omhulsels om de geometrische vormen te manipuleren. Ze maakten bollen, kubussen en cilinders. En speelden ze met de lengteas van de omhulsels, waardoor bijvoorbeeld bollen ovalen werden en kubussen rechthoeken.

 

Door de geometrische vormen van de omhulsels te variëren maakten de onderzoekers verschillende structuren, waaronder kristalstructuren. Beeld afkomstig uit de publicatie in Science Advances.


Bewegingsvrijheid

Juist de cilinders bleken mooie kristalstructuren te vormen. 'Cilinders kunnen precies genoeg rollen', zegt Abelmann. 'Bollen rollen te veel, waardoor ze een rare kluwen vormen. Blokken rollen juist weer te weinig, die hebben niet genoeg bewegingsvrijheid om een kristal te vormen. De cilinder zit daar precies tussenin.'

Deze kristallen van cilinders bleken minder stabiel dan kristallen van kubussen. De turbulente stroom kan zich makkelijker een weg banen tussen de cilinders en de kristalstructuur kapot maken.


Kunstmatige kristallen

De bevindingen van de experimentele opstelling willen de onderzoekers gebruiken om nieuwe kunstmatige kristallen van magneten op microlevel te ontwerpen. Dit soort kristallen hebben bijzondere eigenschappen die natuurlijke materialen niet hebben. Een voorbeeld is een elastiek dat dikker wordt als je eraan trekt. 

'We willen deze kristallen graag maken met deeltjes van een micrometer groot, maar deze zijn moeilijker te maken en onderzoeken dan deze magneten van een centimeter groot.' Er is geen microscoop nodig om vast te leggen wat er gebeurt. Daarnaast vertraagt de grootte de dynamiek van het systeem. Daarom kan een gewone camera gebruikt worden in de opstelling. 'We hoeven slechts iedere seconde een foto te nemen om de dynamiek vast te leggen', licht Abelmann toe.


Lavalamp

Volgens Abelmann kan de opstelling ook gebruikt worden voor educatieve doeleinden. 'De dynamiek is prachtig om te zien, het doet denken aan een lavalamp', vertelt Abelmann. 'Hiermee kunnen we abstracte thermodynamische verschijnselen aan de studenten illustreren. De magneten in de turbulente stroom bewegen bijna hetzelfde als moleculen die zich willekeurig bewegen, de zogehete brownian motion.'

 

Openingsbeeld: Depositphotos