Tag Archief: materiaalfysica

Vast, vloeibaar, of gasvormig? Wat een toestand!

De drie klassieke aggregatietoestanden met de faseovergangen ertussen.We moeten het eens hebben over aggregatietoestanden. Dat is voor niemand fijn, ik weet het. Zelfs op Facebook vindt niemand dit leuk! Het woord op zich klinkt al vreselijk. En toch is er nu eenmaal een dag dat aggregatietoestanden in ons leven komen. Ze zijn er dan altijd al geweest, maar plots ga je ze als dusdanig herkennen en dan wordt alles anders. Voor veel mensen komt deze dag in het eerste jaar fysica op de middelbare school. Vast, vloeibaar, gasvormig: dat is alles en toch ben je er niet in één les vanaf. Een stof kan namelijk van de ene aggregatietoestand overgaan in een andere (en weer terug): zo zijn er zes faseovergangen. Naarmate de temperatuur stijgt gaan de deeltjes (atomen of moleculen) in stoffen meer bewegen en minder sterk aan elkaar binden. Hierdoor kan een vaste stof vloeibaar worden (smelten) en een vloeistof gasvormig worden (verdampen); bovendien kan een vaste stof rechtstreeks overgaan naar de gasfase (sublimeren). Bij dalende temperatuur komen de omgekeerde processen voor, respectievelijk: stollen, condenseren en rijpen.

Er zijn wel enkele hindernissen bij het leerproces. Zo is water één van de stoffen waarmee we het meeste ervaring hebben, maar water heeft meteen een uitzonderlijke eigenschap bij overgang tussen vloeibaar en vast: terwijl de meeste stoffen in volume afnemen als ze stollen, zet water uit als het bevriest.

De Nederlandse taal werkt ook niet mee. De bijvoeglijke naamwoorden zijn ‘vast’, ‘vloeibaar’ en ‘gasvormig’, terwijl de corresponderende zelfstandige naamwoorden ‘vaste stof’, ‘vloeistof’ en ‘gas’ zijn. Dus respectievelijk één, twee en drie lettergrepen voor de adjectieven en het omgekeerde bij de substantieven. Is dat erg? Op zich niet, maar leerlingen gebruiken de boel steevast door elkaar en ze zijn niet de enigen: kijk ook maar op het plaatje hierboven, dat ik heb overgenomen van schoolTV.

De driedeling die we op school leren is overzichtelijk, maar zoals vaker met dit soort dingen kom je in de praktijk grijze zones tegen. De driedeling kan een goede eerste benadering zijn, maar de natuur houdt zich niet strikt aan de stippellijntjes die wij rond de aggregatietoestanden hebben aangebracht. Zelfs de natuur zelf vindt er dus niets aan. ;-) Neem nu glas: op het eerste zicht is dit duidelijk een vaste stof, maar op moleculair niveau bestaat het uit een onregelmatige, amorfe structuur, net zoals een vloeistof. Soms hoor je wel eens dat glas beter beschouwd kan worden als een zeer stroperige (visceuze) vloeistof, of dat het een bijkomende aggregatietoestand is. Het zou zelfs zijn aangetoond dat het glas in de ramen van zeer oude kerken onderaan dikker is, doordat het glas, onder invloed van de zwaartekracht, in de loop der eeuwen iets uitgezakt zou zijn. Helaas blijken ongelooflijke verhalen bij nader onderzoek vaak gewoon onwaar. Het is maar vrij recent dat we nagenoeg perfect vlakke glasplaten kunnen maken. Eeuwen geleden was het meeste glas dikker aan de randen. Als er een verschil was tussen de boven- en de onderkant, werd de dikste kant onderaan gezet voor de stevigheid.

We hebben al een paar dagen zonnig weer in ons land, maar zomerse hitte waarbij het asfalt smelt is er gelukkig nog niet bij in maart. Wie zou echter op het idee komen om de viscositeit van asfalt te gaan meten bij normale kamertemperatuur? Daar moet je al erg veel geduld voor hebben! Er wordt inderdaad zo’n experiment gedaan, zij het dan met pek – een andere zwarte en ook zeer stroperige stof. Tim tipte mij over het pitch drop experiment (pekdruppelexperiment) aan de Universiteit van Queensland in Australië. Waarschijnlijk was dit als uitdaging bedoeld: lukt het om een niet al te saai stukje te schrijven over een experiment dat al sinds 1930 loopt en waarbij er sindsdien amper acht druppels gevallen zijn? De laatste druppel liet los in 2000 en die daarvoor twaalf jaar eerder, dus je zou misschien verwachten dat in 2012 de negende druppel zal vallen. De druppels laten echter steeds langer op zich laten wachten (zoals je gemakkelijk kun zien in deze tabel), dus ik zou mijn slaap er nog niet voor laten om dit evenenment via de webcam live mee te maken. ;-) Hopelijk slagen ze er bij deze nieuwe druppel trouwens in om het cruciale moment op film te bewaren: dat zou dan voor het eerst zijn. Dan zien we het daarna vast bij het nieuws passeren. Hun IgNobelprijs in de fysica hebben de bedenkers van het experiment in elk geval al binnengehaald.

Plasma is een stralende, nieuwe aggregatietoestand.Nog leuker wordt het als je de klassieke fysica achter de kiezen hebt en ontdekt dat er veel meer aggregatietoestanden zijn! Sommige daarvan kunnen enkel bij zeer hoge of juist zeer lage energieën voorkomen (zie bijvoorbeeld de Engelstalige Wikipedia). Deze lijken misschien minder geschikt voor de middelbare school, omdat we geen directe ervaring hebben met de bijbehorende extreem hoge of lage temperaturen, maar ze spreken des te meer tot de verbeelding. De bekendste ‘nieuwe’ aggregatietoestand is plasma, een hoog-energetische toestand waarbij de kernen en de elektronen van atomen apart voorkomen (door ionisatie). Hierbij straalt de materie een futuristische gloed uit. De bekendste toepassing vind je dan ook in beeldschermen, maar je kunt plasma ook gebruiken om er diamantjes in te groeien :-) en ook onze zon is een feite een gloeiende bol plasma. Aan de koele kant van het aggregatiespectrum komen we onder andere de Bose-Einsteincondensaten (BEC) tegen. In deze exotische toestand zijn de (aanvankelijk) individuele deeltjes niet meer van elkaar te onderscheiden en vormen ze één superatoom.

Waar het plasma dus één groot Caraïbisch feest van materie is, is het Bose-Einsteincondensaat volkomen Zen.

Bitterzoete wetenschap

Een kat in bed veroorzaakt een bult in de deken: een kat-dekbed-excitatie.Deze blogpost stuitert alle kanten uit: van holistische koffie over kat-dekbed-excitaties naar traag licht. Katten en fysica zorgen op internet altijd voor grappige combinaties, dus doe ik vandaag ook een poging. Het bezorgt me alvast een goed excuus om er schattige plaatjes bij te plakken. :-)

Herinner je je nog mijn fascinatie voor zwevende koffiedruppels? Ik heb zopas nog een leuke waarneming gedaan van dit effect. Meestal drink ik niets met bruis, maar laatst had ik zo’n dorst dat ik van een glas nog hevig bruisende cola dronk. Ik keek in het glas – waarschijnlijk scheel, ja! – en zag hoe de bruis voor minuscule, drijvende druppeltjes zorgde die alle kanten uit stuiterden. Heerlijk om te zien.

Herinner je je ook nog de verklaring voor dit effect? Op het eerste zicht lijken de druppeltjes te zweven of te drijven, maar om te begrijpen hoe ze bewegen, moet je er rekening mee houden dat ze niet in het ijle hangen: ze zijn volledig omgeven door lucht. Bovendien staat het vloeistofoppervlak waar ze op lijken te drijven niet stil. Het oppervlak kan aan het trillen gebracht zijn door eerdere druppels die erop vielen, door met het glas of kopje te bewegen, of door tegen de rand van de fles te tikken. Het bewegende oppervlak sleept de omringende lucht mee en zorgt zo voor een luchtkussen waar de druppels op blijven dansen. In geval van hete koffie in de koffiezet helpt ook het temperatuurverschil een handje om de lucht in beweging te krijgen (door thermische Marangoni-convectie).

Koffie kan op koffie drijven.Deze verklaring is ‘holistisch’: om te begrijpen hoe de druppels op het oppervlak bewegen, moet je niet enkel naar de eigenschappen van die druppels zelf kijken, maar ook naar alles eromheen. In dit geval naar de beweging van het onderliggende vloeistofoppervlak, die de lucht doet bewegen, die op haar beurt weer met de druppels interageert. Indirect, namelijk via de lucht als mediator, interageren de golven van het vloeistofoppervlak met de vloeistofdruppel. Dit heeft veel weg van een golf-deeltje-interactie (al is een koffiedruppel geen star deeltje).

Om beter te begrijpen wat ik met een golf-deeltje-interactie bedoel, kun je fysica gaan studeren… of een kat in huis nemen. Als een kat onder een deken kruipt, zie je van buitenaf een hobbel in de deken. Om dit bultje te verklaren, helpt het weinig om de biologie van de kat te bestuderen, of de cultuurgeschiedenis van ons beddengoed. In de ogen van een fysicus verandert de bult in een kat-dekbed-excitatie: een specifieke verandering in de vorm van de deken met als onderliggende ;-) oorzaak de vorm van de kat. Als de kat onder de deken door kruipt, beweegt de bult, met een zekere snelheid. Of, opnieuw in de ogen van de fysicus, een golf-deeltje-interactie.

Om het helemaal wetenschappelijk te maken, zou je de snelheid van de bult (een kat onder een deken) kunnen vergelijken met een “vrije kat” (een kat die vrij rondloopt, dus niet onder een deken). Ik heb dit experiment niet uitgevoerd, maar op theoretische gronden verwacht ik dat de vrije kat sneller beweegt dan de bult. Maar zelfs een loslopende kat haalt de lichtsnelheid niet – zelfs niet als je ze eerst goed gek maakt met een laserpointer. ;-)

De lichtsnelheid in vacuum geldt als ultieme snelheidsbeperking voor materie.Als je een kat – of eender welk dier, voorwerp, of deeltje met massa – meer snelheid wil geven, moet je er energie aan geven. Je zou kunnen verwachten dat als je maar energie blijft toevoegen, dat je de kat met eender welke snelheid kunt laten bewegen. In de praktijk blijkt dit niet te kloppen. De curve die het verband aangeeft tussen de toegevoegde energie en de behaalde snelheid van een massa begint weliswaar nagenoeg lineair, maar vlakt daarna af. De snelheid waar de curve naartoe blijkt te neigen, maar die nooit bereikt wordt is c, de lichtsnelheid in vacuüm – bijna 300 000 km/s.

De lichtsnelheid in vacuüm (meestal kortweg ‘de lichtsnelheid‘) wordt dus beschouwd als de ultieme snelheidslimiet voor alle materiële voorwerpen. Katten hebben een massa en worden dus geacht trager dan c te bewegen. “Lichtdeeltjes” of fotonen hebben geen massa; zij kunnen wel met snelheid c bewegen.

Snelheid in functie van totale energie.

Snelheid in functie van totale energie. De rustmassa van het deeltje levert een constante bijdrage aan de energie, de rest is kinetische energie (energie door beweging). Volgens de klassieke fysica zou de snelheid onbeperkt kunnen toenemen (roze lijn), maar in de praktijk blijkt dat niet zo te zijn: relativiteitstheorie voorspelt dat deeltjes met een rustmassa nooit de snelheid c bereiken (rode lijn). (Bron van de afbeelding: http://www.phys.unsw.edu.au/einsteinlight/jw/module5_equations.htm)

In de context van relativiteitstheorie wordt het bovenstaande meestal als volgt samengevat: massa is snelheidsafhankelijk en neemt toe met de snelheid. Wat wij meestal als ‘massa’ aanduiden is de rustmassa van een voorwerp. (Die term is ook heel toepasselijk bij katten, die wel twintig uur per etmaal rusten.) Enkel als die rustmassa nul is, zoals bij een foton, kan het deeltje met de maximale snelheid, c, bewegen.

Als een geladen deeltje invalt met een snelheid hoger dan de lichtsnelheid in dat medium, komt er Cherenkov-straling vrij.Dit wil overigens niet zeggen dat er niets sneller dan het licht zou kunnen bewegen. Daarbij wil ik het niet eens hebben over tachyonen. (Dat zijn hypothetische deeltjes die geen normale massa hebben en die wel sneller dan c zouden kunnen bewegen. Dit zou geïnterpreteerd kunnen worden als deeltjes die terugreizen in de tijd, maar dat is dus weer een heel ander verhaal.) Er is een veel voor de hand liggendere manier om sneller te gaan dan het licht: door het licht te vertragen! In nieuwe (meta-)materialen kan men de snelheid van het licht drastisch verlagen, een fenomeen dat “slow light” of “traag licht” genoemd wordt.

Enkel in een absoluut vacuüm beweegt het licht aan de snelheid c. In eender welk medium (met brekengsindex n > 1) beweegt het licht met een lagere snelheid, c‘ (c‘ = c / n < c). Door andere deeltjes te versnellen tot een snelheid hoger dan c‘ (maar niet hoger dan c, want dat is – voor zo ver bekend – onmogelijk), kunnen ze het licht in dat medium dus inhalen! Dit is niet enkel een theoretische mogelijkheid, maar kan ook experimenteel worden aangetoond. Wanneer een vliegtuig sneller vliegt dan de geluidssnelheid in lucht, ontstaat er een schokgolf, die wij horen als een knal. Iets soortgelijks gebeurt er wanneer geladen deeltjes de lichtsnelheid in het medium overschrijden: er komt dan straling vrij (Cherenkov-straling).

Licht is het oudste en bekendste voorbeeld van de golf-deeltjes-dualiteit uit de kwantummechanica. Afhankelijk van het vraagstuk, kan het handiger zijn om licht als een golf- of als deeltjesfenomeen te beschrijven. Nu lijkt er een tegenspraak te zitten tussen beide beschrijvingen:

  • Als je het licht als een golf beschouwt, zoals in de klassieke optica, kan het licht trager gaan dan c. Dit is te begrijpen in termen van elektrische polarisatie van het medium: de gepolariseerde materie gaat daarbij zelf licht uitzenden, dat interfereert met het oorspronkelijke licht en zo in een vertraagde lichtgolf resulteert.
  • Als je het licht echter als deeltjes beschouwt (fotonen), zoals in de kwantummechanica, en de uitleg over relativistische massa’s herleest, dan zou je kunnen concluderen dat fotonen enkel met de snelheid c kunnen bewegen, niet trager. Of krijgen fotonen plots toch een massa als ze door medium bewegen, maar hoe kan dat dan?

Om deze schijnbare tegenstrijdigheid te ontwarren, moet je opnieuw een ‘holistisch’ standpunt innemen – net als bij de koffiedruppels die op het oppervlak van koffie stuiteren en net als bij de bult door de kat onder het dekbed.

In dit geval betekent dit dat je de interactie tussen het foton en de deeltjes in het medium van naderbij moet bekijken. Het is onmogelijk om dit volledig algemeen te doen. Veel hangt af van welk medium het is (Is het een gas, een vloeistof, of een vaste stof?) en van het type foton (Hoeveel energie heeft het?) Om het echt goed te doen, heb je een hele brok fysica nodig, inclusief formules. En zelfs als je fysica hebt gestudeerd, blijft het moeilijk om de gedetailleerde, kwantitatieve theorieën terug te brengen tot een kwalitatief totaalplaatje. Toch ga ik een poging wagen om voor één specifiek voorbeeld een heldere uitleg te geven. (Veel dank aan Danny om mee te brainstormen voor volgend stukje.)

Katten en fotonen.

Als je de interactie van licht met materie wilt beschrijven heb je een hele brok fysica nodig. Als je wil beschrijven hoe licht interageert met diamant dan is dat weer een heel ander verhaal dan de interactie tussen fotonen en katten.

Om het zo concreet mogelijk te maken ga ik uit van rood licht, met een golflengte van – laat ons zeggen – 650 nm. Daarmee correspondeert een foton met een energie van ongeveer 2 eV. Als medium neem ik mijn favoriete vaste stof: diamant, dat in elk geval transparant is voor rood licht. De bindingslengte van de koolstofatomen in het diamantrooster bedraagt slechts 0,154 nm, duizenden malen kleiner dus dan de ‘afmetingen’ van het foton, nu beschouwd als een golfpakketje met die specifieke golflengte. De handigste manier om de interactie van het foton met de vaste stof te beschrijven is dus niet voor iedere koolstofkern afzonderlijk, maar door het rooster als een geheel te beschouwen. Als je het foton als een energiepakketje beschouwt, kun je zien dat het invallende foton voor een kleine energieverhoging zorgt in een (relatief) groot gebied van het rooster: een proces dat je kunt beschrijven als een (kwantummechanische) excitatie van het rooster. Met deze aangeslagen toestand van het rooster kun je een pseudodeeltje associëren: het polariton.

Het vreemde besluit is dus dat lichtdeeltjes niet trager kunnen dan c, maar lichtgolven wel. Hm, is dit meer dan een semantische afspraak? “Zodra fotonen invallen op een medium, spreek je niet meer van een foton maar van een polariton.” Het lijkt erop dat er meer aan de hand is. Een foton heeft geen massa. Aangezien het polariton een aangeslagen toestand is van het rooster, dat zelf een massa heeft, hoeft het geen verbazing te wekken dat ook het polariton een massa heeft en dus trager gaat dan c.

Vind je die pseudo-deeltjes maar bizar? Denk dan terug aan de kat onder het dekbed! Terwijl de kat onder de deken zit, kun je haar niet zien. Je ziet enkel een bultje dat beweegt, vermoedelijk iets trager dan een vrije kat. Je zou het bultje een pseudodeeltje kunnen noemen: het doet het dekbed op zo’n manier bewegen alsof er een lokale vervorming is, die zich in het vlak van het dekbed kan verplaatsen.

Aan deze kant van de deken zie je de kat.

Aan deze kant van de deken zie je de kat, aan de andere kant zie je een vervorming die zich verplaatst. Die bultjes zou je polaritons kunnen noemen.

Toch is er een verschil: de kat bestaat nog, ook al zit ze onder een dekentje, maar als licht zich door een medium beweegt, zouden de fotonen niet langer bestaan – zij gaan volledig op in het nieuw pseudo-deeltje, het polariton. Wanneer het bultje aan het einde van het dekbed komt, komt er gewoon weer een kat te voorschijn. In dit beeld bestaat het bultje niet echt als een onafhankelijk object, de kat en het dekbed wel. Ook wanneer het licht weer overgaat van het medium naar vacuüm, bestaat het weer uit fotonen. Dit wekt de indruk dat ook in het medium de fotonen nog bestonden – net als de kat onder het dekentje. Het lijkt er dus op dat het polariton als pseudo-deeltje slechts dient om het ons makkelijker te maken het hele proces fysisch te beschrijven.

Is het polariton een soort bultje dat niet echt bestaat? Mijn eigen conclusie – op dit ogenblik – neigt eerder naar het omgekeerde: alles wat wij deeltjes noemen zijn pseudo-deeltjes, die ons helpen om fysica te begrijpen. Ook katten en dekens zijn pseudo-objecten, concepten die het ons gemakkelijker maken om over de wereld na te denken en er met andere mensen over te communiceren: “Hang het dekbed eens uit het raam om te verluchten, maar niet de kat!”

The spoon is not real. De bult en de polariton ook niet. De kat en het foton evenmin.Ja, een kat is zelf een soort “bultje”: de kat bestaat vandaag uit heel andere cellen dan die waaruit ze een paar jaar geleden bestond. Toch roepen we haar met dezelfde naam… en luistert ze nog steeds niet. ;-) De deken bestaat uit een eerder toevallig samenraapsel van synthetische of organische vezels, die honderd jaar geleden of honderd jaar in de toekomst wellicht op heel verschillende plaatsen terug te vinden waren/zijn. Zelfs een perfect gladde deken is zo een soort bultje in de wereld; iets dat mensen als één ding zien.

Katten en dekens, fotonen en kristalroosters: geen van alle zijn er echt objectief. Voor golven geldt overigens hetzelfde – mijn punt is hier niet dat de wereld inherent golf-, veld-, of energie-achtig is. Al deze concepten zijn hulpmiddelen voor mensen om de wereld te beschrijven, zaken te (proberen) voorspellen en er iets van te begrijpen. Maar uiteindelijk ‘is’ de wereld er gewoon en dat is nooit tot louter begrijpen te herleiden.

Wetenschap is een uiting van het menselijke verlangen om zoveel mogelijk van de wereld te begrijpen en het scherpe randje aan de wetenschap is dat dat verlangen onmogelijk, zelfs maar in principe, vervuld kan worden. Dat is het bitterzoete koekje dat bij deze holistische kop koffie geserveerd wordt.

Synthetisch diamant

Alle koolstofatomen zijn hetzelfde, of ze nu in grafiet of in diamant ingebouwd zijn.In deze tweede aflevering van “Materiaal op maandag” (deel 1 is hier) gaan we dieper in op diamant, mijn favoriete materiaal. Diamant spreekt tot de verbeelding. Niet enkel tot die van trouwlustige jongedames, maar ook tot die van wetenschappers. Aan het eind van de achttiende eeuw had de Engelse chemicus Smithson Tennant met een eenvoudige proef aangetoond dat diamant uit dezelfde substantie bestaat als grafiet en houtskool (zie Tennants artikel uit 1797). Intussen weten we dat deze drie materialen uit puur koolstof bestaan: element C met atoomnummer 6. Tussen een individueel atoom van het grafietstaafje in je potlood of een atoom van een diamant zit er geen enkel verschil. In tegenstelling tot edelmetalen zoals goud is het element koolstof ook helemaal niet zeldzaam.

Wat diamant zo bijzonder maakt, zijn niet de individuele atomen, maar de ordening van die deeltjes. Ze zitten in een sterk gebonden kristalrooster en dit geeft het materiaal een aantal bijzondere eigenschappen: diamant is heel hard, het is transparant en het heeft ook interessante elektronische eigenschappen. Of koolstof zich ordent als grafiet of als diamant (of nog andere allotropen van het materiaal, zoals buckyballen) hangt af van de omgeving waarin het zich bevindt. Bij kamertemperatuur en onder normale atmosferische druk heeft grafiet de voorkeur. In de aarde, op zo’n 160 km diepte (dit is onder de aardkorst, in de aardmantel), zijn er echter zones waar diamant spontaan kan ontstaan: de druk is er hoog genoeg bij een temperatuur van rond de duizend graden Celsius. Als er dan ook nog vulkanische activiteit in de buurt is, kan het diamant met het gloeiende magma meeliften naar het aardoppervlak. Er zijn weinig plaatsen waar al de omstandigheden precies goed zijn (diamant wordt vooral gewonnen in centraal en zuid Afrika) en dat maakt diamanten zeldzaam en kostbaar.

De alchemisten droomden ervan om goud te maken van minder waardevolle materialen. Achteraf – met onze huidige wetenschappelijke kennis – is het gemakkelijk om in te zien waarom dit niet lukte: om het element goud (Au) te maken uit andere elementen zou je een kernreactie moeten opstarten. Omdat zowel diamant als grafiet echter uit hetzelfde (vrij alledaagse) element koolstof bestaan, lijkt het idee om diamant te maken uit grafiet minder hopeloos. Het is inderdaad mogelijk om deze transformatie in het labo te laten gebeuren. Net zoals diamant op natuurlijke wijze kan ontstaan in de aarde, kun je een apparaat bouwen waarin je grafiet onder hoge druk en temperatuur laat omzetten in diamant. Deze techniek heet HPHT, wat staat voor ‘High Pressure, High Temperature‘. De toestellen zijn groot en de geproduceerde diamantjes klein. Ook heeft men met deze techniek weinig controle over de vorm en andere eigenschappen van het geproduceerde diamantkristal. Daarom bleef men verder zoeken naar alternatieve manieren om synthetisch diamant te maken.

Deze zoektocht leidde tot de ontwikkeling van een tweede type synthetisch diamant: CVD-diamant. CVD staat voor ‘Chemical Vapour Depostion‘ of ‘chemische dampafzetting’. Bij deze techniek wordt er methaangas (CH_{4} of aardgas dus) gebruikt als koolstofbron. Met behulp van microgolven wordt het gas omgezet in een plasma, waarbij de elektronen en de atoomkernen vrij voorkomen. In het plasma wordt er een plaatje silicium gelegd. Silicium heeft namelijk dezelfde kristalstructuur als diamant, met een vergelijkbare roosterconstante. Het intuïtieve idee is dat de koolstofatomen uit het plasma het rooster ‘verder bouwen’ en dat er zo een diamantfilm groeit op het siliciumoppervlak. Dit zou op de volgende manier kunnen gebeuren, waarbij het koolstof in de vorm van CH_{3}-radicalen op het oppervlak landt:

Op deze manier kan er een nieuw laagje diamant aangroeien in een CVD-reactor.

Vereenvoudigd diagram van het standaard groeimodel voor CVD-diamant. (Bron van de figuur: http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/growthmodel.htm)

Als je echter naar de temperatuur en druk kijkt van het plasma, blijkt bovenstaand reactiemechanisme zeer onwaarschijnlijk te zijn: grafiet is onder de gebruikte omstandigheden de dominante fase. CVD lijkt dus een nodeloos ingewikkelde manier om grafiet te maken, ware het niet dat men in de jaren 1960 een slimme truc heeft gevonden: men voegt een overmaat aan waterstofgas (H_{2}) toe aan het gasmengels. De vrije waterstofkernen uit het plasma zullen vooral het gevormde grafiet wegetsen en in mindere mate het diamant. (Zie deze website voor meer details.)

Zo ontstaat er een soort processie van Echternach in de CVD-reactiekamer: deeltjes koolstof landen op het silicium, de meeste hiervan vormen grafiet en slechts enkele diamant, maar het grafiet wordt door waterstof weggevangen terwijl het gevormde diamant grotendeels ongemoeid wordt gelaten. Netto groeit de diamantfilm aan, beetje bij beetje, met vallen en opstaan. Het laagje wordt elk uur één tot honderd micrometer dikker (afhankelijk van de reactieparameters). Om er een echte edelsteen van een respectabel aantal karaat van te maken is geduld dus de boodschap. Bovendien vergt het slijpen van zo’n hard materiaal ook heel wat tijd.

Het scenario waarbij de diamantair in een lege winkel staat, de reactor aanzwengelt en zegt: “Eventjes geduld, mevrouw, uw diamant is zo klaar” is en blijft dus fictie.

Een flesje diamantgruis

Dit is een staaltje van diamant op silicium.De ‘r’ zit weer in de maand. Tijd voor een kop warme chocolademelk of een kannetje kaneelthee. Een goede tijd ook voor een nostalgische terugblik: vandaag de eerste post van wat een reeks wordt over mijn tijd in de materiaalfysica. Hiervoor heb ik alvast een nieuwe categorie gemaakt die “Materiaal op maandag” heet (wat niet wil zeggen dat ik élke maandag de nostalgische toer op zal gaan).

Zeven jaar heb ik gewerkt  aan het Instituut voor Materiaalonderzoek (IMO) van de Universiteit Hasselt, in labojas en met het pincet in de aanslag. Het laboratium staat vol toestellen waarmee je de eigenschappen kunt onderzoeken van tastbare dingen. Hoewel dit niet meteen de meest natuurlijke habitat is voor filosofische zielen, heb ik er toch mijn hart verloren aan fluorescentiemicroscopie en andere optische technieken. (En veel gesakkerd als het experiment mislukt was, dat ook.) In een chemisch labo draag je een witte labojas. Waarom wit weet ik niet precies: dan zie je beter als je gemorst hebt, gok ik? In het optisch labo is een zwart plunje te verkiezen. Waarom dat is weet ik wél: zwart geeft het minste kans op ongewenste reflecties. Aan optica doen is dus een goed excuus om geen labojas te moeten dragen. ;-)

Het meest gebruikte woord in het laboratorium is “staaltje” – meestal te horen als de Engelse variant “sample“, maar nooit eens met het Nederlandse synoniem “monster”. Tijdens mijn doctoraat ging ik enkele malen metingen doen aan de universiteit van Namen. Daar vielen me de twee volgende zaken meteen op: collega’s begroeten er elkaar ’s morgens met een kus en het Frans voor “staaltje” is “échantillon“.

De staaltjes die ik voor mijn onderzoek gebruikte, waren van diamant. Diamant leek me een prachtig materiaal om mee te werken! Ik ben namelijk niet zo handig, ziet u. Als het hele staal van diamant is – één van de hardste materialen ter wereld -, is het nagenoeg onverwoestbaar. Meestal echter gebruikten we een silicium- of glasplaatje als drager met daarop een dunne laag van diamant en die staaltjes zijn juist bijzonder broos. Je hoeft er maar iets te hard naar te kijken, of de diamantfilm barst door de inwendige spanning. Het kan ook gebeuren dat het laagje diamant in zijn geheel loskomt van de drager, zodat je een plooibaar vliesje diamant overhoudt, dat scheurt zodra je het met een pincet aanraakt. De eerste tijd in het labo waren deze catastrofes mijn enige onderzoeksresultaten. Naarmate ik handiger werd met het pincet en minder bang om eens een flinke beker zwavelzuur te koken (om de staaltjes grondig schoon te maken), begon ik ook echte resultaten te behalen. Samen met collega’s P. en V. lukte het om op het diamantoppervlak biologische moleculen aan te brengen om zo een biosensor te maken. Deze successen kwamen niets te vroeg, want ik was net beginnen overwegen om mijn doctoraatsonderwerp van “Biosensoren op diamant” te verleggen naar “Twintig nieuwe manieren om diamantfilms tot gruis te herleiden”… ;-) Eén flesje met diamantgruis heb ik bewaard. Door de mooie interferentiekleuren lijkt het net elfenpoeder. Wie zegt dat wetenschap niet mooi kan zijn?

Alvast niet Richard Feynman. Deze bekende wetenschapper kreeg in 1965 een (gedeelde) Nobelprijs in de Fysica voor zijn werk aan kwantumchromodynamica; hij bedacht ook een visuele manier om kwantumveldentheorie voor te stellen, die we nog steeds Feynmandiagrammen noemen. (Marcel Vonk, collega-blogger op Scilogs, schrijft deze week ook over Feynmandiagrammen, als voorbeeld van storingsrekening.) Onderstaand filmpje kwam begin deze maand online. Hierin verdedigt Feynman de stelling dat wetenschap niets afdoet aan de schoonheid van de natuur, maar er juist nog aan toevoegt: