Kristallen van een lezer

De Scheikundejongens hebben al vaak geschreven over kristallen. Over sneeuwvlokjes, kunst met kristallen, vloeibare kristallen, stiekeme kristallen, en over het zelf groeien van kristallen en wat ons resultaat daarvan was. Eén van onze lezers, Nienke Saanen, heeft ook kristallen gegroeid en stuurde ons onderstaande foto’s.

De kristallen zijn gemaakt van aluin, maar wel met wat speciale ingrediënten. Een aantal van de kristallen is bijvoorbeeld gegroeid op een stukje gips, zoals goed op de foto hierboven te zien is.

Er is ook kleurstof gebruikt om de kristallen een kleurtje te geven: een aluinkristal is normaal gewoon kleurloos. Nienke heeft ons ook een lijstje met de gebruikte kleurstoffen gestuurd, met bijbehorende INCI-nummers, zoals te koop bij Hekserij.

De kristallen van Nienke zijn allemaal enkele centimeters groot. Ze zijn weliswaar niet monokristallijn (d.w.z. een éénkristal, zonder breuken), maar dat maakt ze niet minder indrukwekkend. Heb jij ook mooie kristallen gegroeid? Stuur je foto’s dan op!

Nobelprijs van de scheikunde naar quasi-kristallen

“Willen jullie bij ons komen uitleggen, waar de Nobelprijs voor de scheikunde dit jaar naartoe gaat?” Die vraag stelde De Wereld Draait Door ons. Maar het moest wel een interessant onderwerp zijn. En Robbert Dijkgraaf had al ja gezegd. Maar ja, wiskundemeisje Ionica had ons al gewaarschuwd: DWDD zegt nog wel eens af. Neemt niet weg dat wij een heleboel nieuws hebben geleerd over quasi-kristallen.

Update: Ons avontuur bij DWDD ging vanavond niet door, maar we werden wél geïnterviewd door Radio 1. Luister het gesprek hier terug.

Dit jaar gaat de Nobelprijs voor de scheikunde dus naar Daniel Shechtman, voor zijn ontdekking van quasi-kristallen.

Om uit te leggen wat quasi-kristallen zijn, zal ik eerst uitleggen wat gewone kristallen zijn. Volgens de oude definitie, is een kristal een materiaal met een repeterende basiseenheid. Stel je een eenvoudige tegelwand voor met witte tegels. Omdat de tegels zo netjes tegen elkaar aan zitten, herken je al snel een structuur met 2 soorten symmetrie. De eerste is ‘translatie-symmetrie’: als je een tegel denkbeeldig zou verschuiven, komt hij over een andere tegel heen te liggen. De andere symmetrie heet ‘rotatie-symmetrie.’ Omdat de tegels vierkant zijn, zou je een tegel denkbeeldig 90º kunnen draaien, zo dat hij weer precies over een andere tegel heen zou passen. En nog eens 90º, en nog eens. Zou je voor een vierde keer draaien, 360º dus, dan kom je weer op de originele plek uit. Badkamertegeltjes mogen alleen 1/4 deel (90º) gedraaid worden, maar in het algemeen mogen kristallijne structuren alleen 1/2 deel, 1/3 deel, 1/4 deel of 1/6 deel gedraaid worden. De rest is “verboden.”

Een andere speciale eigenschap van een kristal heeft te maken met verstrooiing van straling. Zou je straling op een monster stralen — niet zichtbaar licht, maar röntgenstraling — dan verstrooit die straling in een typisch spikkelpatroon. Aan de hand van dat spikkelpatroon zou je iets kunnen zeggen over de kristalstructuur van het monster. Hier rechts is zo’n verstrooiingspatroon te zien. Als je goed kijkt, zie je dat als je dit patroon 1/6 (360º/6 = 60º) deel zou draaien, dat je dan op hetzelfde patroon uitkomt. Dat betekent dat het kristal dat dit verstrooiingspatroon oplevert, óók steeds 1/6 deel gedraaid kan worden. Denk terug aan het tegelpatroon in het voorbeeld hierboven, dat steeds 1/4 deel gedraaid kon worden.

Nu hebben we de oude theorie van kristallografie op twee manieren beschreven: op een grote schaal (röntgenverstrooiingspatronen) en op de kleine, atomaire schaal (repeterende eenheden die kunnen transleren en roteren). En nu komt de clou van de Nobelprijs van dit jaar: professor Dan Shechtman heeft een materiaal ontdekt dat wél een verstrooiingspatroon heeft, maar géén translationele symmetrie heeft. Eigenlijk geen kristal dus, volgens de oude theorie. Sterker nog, de verstrooiingsstructuur die prof. Shechtman heeft gemeten, had een rotatie-symmetrie van 1/5 deel. En dat is verboden!

Helaas stuitte professor Shechtman op veel verzet. Heel veel verzet. Hij werd bespot en werd gedwongen om zijn baan op te zeggen. Zelfs een andere Nobelprijswinnaar, Linus Pauling, weigerde zijn werk te geloven. Shechtman ging weg bij zijn onderzoeksgroep en jaren later vond hij andere wetenschappers die samen met hem het experiment wilden controleren. Samen met hen publiceerden ze het onderzoek in 1984 en langzaam maar zeker veranderen andere wetenschappers hun mening. Op de lange termijn kreeg Shechtman het respect dat hij verdiende, weer terug. Maar tot die tijd had hij het volgens mij niet gemakkelijk. Ook wetenschappers zijn mensen en ook zij wijken niet graag af van wat ze vroeger geleerd hebben. Maar, zoals professor Shechtman het zelf zegt: “als je een wetenschapper bent, en je gelooft je eigen resultaat, vecht er dan voor. Vecht voor de waarheid. Luister naar anderen, maar vecht voor waar je in gelooft.”

Hoe die ontdekking van Shechtman nou precies in z’n werk ging, vertelt hij in dit uitstekende interview.

Meer info over de Nobelprijs voor de scheikunde van dit jaar vind je hier:

Chemische tuin deel 2

Een jaar geleden schreef ik al eens iets over de chemische tuin. Een langdurig experiment dat vooral mooi is. Destijds beloofde ik meer te vertellen over de harde theorie achter de chemische tuin, maar dat is er nooit van gekomen. Gelukkig is daar de Periodic Table of Videos.

Drank onder een microscoop

Dat drank en scheikunde goed samengaan, wist de grondlegger van het Periodiek Systeem der Elementen, Dmitri Mendeleev, ons al te vertellen — alhoewel alcohol drinken op het lab natuurlijk uit den boze is. Toch is drank op het lab wel nuttig, want je blijkt er de meest prachtige plaatjes mee te kunnen maken. En daar hebben de onderzoekers achter BevShots hun werk van gemaakt. Hieronder zie je een voorbeeld van een van hun kunstwerken.

© BevShots

Hoe komt BevShots tot deze prachtige, bijna psychedelische plaatjes? Door veel te experimenteren met drank, natuurlijk. Om te beginnen nemen ze een voorwerpglaasje met daarop een beetje van hun favoriete drankje — bij het plaatje hierboven is dat stout. Dat laten ze vervolgens rustig drogen, oftewel het water en de ethanol verdampen. Hierbij ontstaan kristalletjes van verscheidene stoffen in de drank. Ik gok dat hierbij vooral koolhydraten belangrijk zijn.

Het voorwerpglaasje met het opgedroogde drankje wordt vervolgens bekeken — waarschijnlijk onder een polarisatiemicroscoop — maar hier blijkt BevShots niet al te veel over kwijt te willen. Dat is natuurlijk het geheim van de smid. Het geheim van polarisatiemicroscopie is dat, wanneer een materiaal in verschillende richtingen een verschillende brekingsindex heeft (dubbelbreking), het oplicht. Vaak ontstaan hierbij als gevolg van interferentie, ook nog allerlei kleuren. Als je een zonnebril hebt met polariserende glazen, heb je vast wel eens bij spiegelende autoruiten de kleuren van de regenboog gezien. Dit is hetzelfde effect. Materialen met een gelijke brekingsindex in alle richtingen lichten niet op onder een polarisatiemicroscoop. Polarisatiemicroscopie wordt overigens veel gebruikt voor het bestuderen van mineralen en vloeibare kristallen.

Hieronder zie je nog een aantal van de kunstwerken van BevShots. Klik voor een grotere afbeelding.

De kunstwerken van BevShots zijn te bestellen op hun site in allerlei formaten. Het is dat ik nog lang niet jarig ben, want anders had ik het wel geweten. Voor op je lijstje dus. Proost!

Chemische tuin deel 1

Praktisch iedereen die scheikunde leuk vindt, houdt van kleurtjes en proefjes. Omdat er zoveel van onze bezoekers op zoek zijn naar kristallen, gaan we in deze tweedelige serie het hebben over kristallen. Dit is de gaafste soort doe-het-jezelf-kristallisatie die ik ken. De ‘chemische tuin’.

chemische_tuin

In deze serie van twee zullen we eerst vertellen hoe je zelf een chemische tuin kan maken. Later wat we weten en wat we vooral nog niet weten over de (fysische) chemie van een chemische tuin. We zullen hier vertellen hoe je aan de materialen komt en een (lange) opsomming maken van chemicaliën die je wel en beter niet kunt gebruiken.

Benodigdheden

  1. Aquarium
    Natuurlijk wil je je tuin ergens in kwijt. Je kunt een aquarium van een liter gebruiken, maar natuurlijk ook van 60 L. Let op dat als je een groot aquarium gebruikt, je ook veel waterglas nodig zal hebben om het op te vullen.
  2. Waterglas
    Waterglas is een oplossing van natriumsilicaat in water en dus een kleurloze en visceuze vloeistof. De stof is een sterke base, dus reageert heftig met zuren en is corrosief ten opzichte van o.a. aluminium en zink. Irriterend voor de ogen, de huid en ademhalingsorganen, dus draag een bril en let op je hygiëne.
  3. Gedestilleerd water (‘demiwater’)
    Dit kun je meestal wel kopen bij een doe-het-zelf-winkel. Dit is heel zuiver water, dus met minder zouten erin opgelost dan in kraanwater.
  4. (Zilver)zand (optioneel)
    Spoel het zand een aantal keren met water om eventuele verontreinigingen uit te wassen en laat het daarna een paar dagen drogen.

Chemicaliën

  • IJzer(III)chloride: FeCl3
    Bruingele hygroscopische kristallen of amorfe brokken. De oplossing in water is een matig sterk zuur en tast vele metalen aan onder vorming van waterstofgas. Veroorzaakt brandwonden! Luchtdichte verpakking toepassen. IJzer(III)chloride wordt o.a. gebruikt als etsmiddel voor printplaten. Veiligheidsbril.
  • Calciumchloride: CaCl2
    Witte sterk hygroscopische kristallen, tast vele metalen en andere bouwmaterialen aan. Kan huidirritatie veroorzaken. Schadelijk bij inslikken en inademen. De watervrije vorm (zonder kristalwater) is te koop als ‘vochtvreter’.
  • IJzer(II)sulfaat: FeSO4.7H2O
    Lichtgroene kristallen. De oplossing in water is een matig sterk zuur. Oxideert met zuurstof uit de lucht tot bruin ijzer(III)sulfaat.
  • Kobaltchloride: CoCl2.6H2O
    Donkerrode kristallen, werken irriterend op de ogen, huid en ademhalingsorganen. Blootstelling vermijden. Kan kanker veroorzaken bij inademing.
  • Koper(II)chloride: CuCl2
    Lichtgroene hygroscopische kristallen. De stof irriteert de ogen, de ademhalingswegen en de huid. Schadelijk bij opname door de mond.
  • Kopersulfaat: CuSO4.5H2O
    Helderblauwe kristallen of lichtblauw poeder. Schadelijk bij opname door de mond, irriterend voor ogen en huid. Watervrij kopersulfaat is wit gekleurd.
  • Nikkelnitraat: Ni(NO3)2.6H2O
    Blauwgroene kristallen, ontleden bij verhitting boven 200°C in o.a. stikstofoxiden en zuurstof wat brandbevorderend werkt. Schadelijk bij opname door de mond, mogelijk carcinogeen.

Uitvoering

Gebruik tijdens de uitvoering van dit experiment handschoenen en zet een (veiligheids)bril op. Voer dit experiment uit in het bijzijn van iemand die er verstand van heeft, zoals je docent scheikunde, omdat de chemicaliën die je gebruikt, vaak kankerverwekkend kunnen zijn.

Als je een zandlaag onderin je tuin wil, moet je dat eerst gewassen hebben. Klinkt raar, maar wel nodig. Let op dat er geen zand mag rondwervelen in de waterglas oplossing, dus wacht totdat alles is bezonken.

Verdun 250 ml waterglas met gedestilleerd water tot 750 mL, dus 1 deel waterglas op 2 delen water. Roer totdat de oplossing volkomen homogeen is. Het soortelijk gewicht na verdunnen is ongeveer 1.2 g/mL.

Als je alles klaar hebt staan, voeg je brokken zout toe. Het is belangrijk dat je geen poedervormig zout toevoegt, omdat dit geen fancy effecten geeft. Zoek dus mooie brokjes uit die tussen de 2-10 mm groot zijn.

Met dank voor de beschrijving van de chemicaliën en de afbeelding aan Experimenten Online!