In schone omgeving beginnen kristallen liever asymmetrisch

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 30 januari 2010

Wie deze winter sneeuw- of ijskristallen eens goed onder de loep neemt, zou uit de prachtig symmetrische kristallen kunnen concluderen dat de natuur een voorkeur heeft voor symmetrie. Niets is minder waar. Wanneer kristallen in een schone omgeving beginnen te vormen, heeft de natuur juist een voor keur voor asymmetrie. Dat hebben Amerikaanse fysici van de Universiteit van Harvard experimenteel aangetoond en theoretisch verklaard (Science, 29 januari).

In de natuur begint de vorming van ijskristallen rond nucleatiekernen zoals kleine stofdeeltjes in de lucht. Zonder die kernen verloopt de vorming van ijs- of andere kristallen veel moeilijker. Hoe dat toch zonder zulke triggers precies gebeurt, is grotendeels een mysterie. Het filmen van hoe een klein aantal moleculen bij het allereerste begin van de kristallisatie aan elkaar klit is vooralsnog onmogelijk.

De Amerikaanse onderzoekers gebruikten daarom een modelsysteem dat de beginnende kristallisatie zonder nucleatiekernen nabootst. Ze stopten plastic bolletjes met een doorsnede van een duizendste millimeter in een oplossing. In zo’n zogeheten colloïdaal systeem zijn de bolletjes aan de ene kant groot genoeg om ze met een microscoop goed te zien, maar aan de andere kant klein genoeg om alle kanten op te bewegen door thermische fluctuaties in de vloeistof. De bolletjes gedragen zich als moleculen, maar dan op veel grotere schaal.
De oplossing is zo gekozen dat de bolletjes elkaar aantrekken wanneer ze dicht genoeg bij elkaar komen. Hierdoor gaan ze na een tijdje vanzelf aan elkaar klitten, het begin van de kristallisatie. De fysici filmden dit proces en analyseerden de driedimensionale structuren die zich in de oplossing vormden.

In totaal voerden ze vijfhonderd experimenten uit met tussen de twee en tien bolletjes. Tot vijf bolletjes vonden ze steeds maar één structuur, die ook alleen maar symmetrisch kan zijn. Maar voor zes tot tien bolletjes ontstonden veel vaker asymmetrische dan symmetrische structuren. Zo vonden ze voor zes bolletjes in 96 procent van de experimenten asymmetrische rangschikkingen en in slechts vier procent symmetrische. In dit geval ziet de symmetrische structuur eruit als een regelmatig achtvlak (octaëder) en de asymmetrische structuur als een stapeling van twee viervlakken (tetraëders).

Dat kristallen liever asymmetrisch beginnen, komt doordat er veel meer manieren zijn waarop de bolletjes een asymmetrische structuur kunnen vormen dan een symmetrische. Dit concept hebben de fysici verder theoretisch onderbouwd.