NATUURKUNDE

“Ik was met stomheid geslagen. Het was hetzelfde kristal, maar dan geen cilinder maar volkomen gefacetteerd. Allemaal platte vlakjes, prachtig was dat, helemaal regelmatig.” Zevenhonderd van zulke zijn er deze week in Den Haag.

Dat de kennismaking met de kristalgroei hier niet voor iedereen is opgehouden, bewijzen deze week ruim zevenhonderd wetenschappers in Den Haag. Vanuit veertig landen zijn ze naar het Congresgebouw gekomen voor hun driejaarlijkse wereldcongres. Een week lang presenteren en bediscussiëren ze hun vindingen en resultaten op het gebied van de kristalgroei.

Een gebied met immense toepassingen. Niet alleen van kwartshorloges tot suikerkristallen, maar ook van computerchips tot medicijnen. “Bijna elke vaste stof heeft een kristallijne structuur”, zegt Piet Bennema, hoogleraar kristalgroei van de Katholieke Universiteit van Nijmegen. “Behalve glas, wat een soort bevroren vloeistof is, en wat ingewikkelde uitzonderingen zoals plastic en papier. Maar verder zijn alle materialen kristallen of opgebouwd uit kristallen.”

Die wetenschap heeft de natuurkunde enorm vooruit geholpen. Het kenmerk van kristallen is namelijk dat de moleculen netjes geordend zijn. Ze liggen op regelmatige afstanden verankerd in het kristalrooster en dat maakt dat het gedrag van kristallen in allerlei omstandigheden zeer goed te beschrijven en te voorspellen is, zonder dat de natuurkundige precies hoeft na te gaan hoe elk molecuul zich afzonderlijk gedraagt.

Er is één maar: dit is de theorie. In de praktijk zijn materialen niet zo keurig. Ze zijn opgebouwd uit verschillende kleine kristalletjes, er zitten verontreinigende stoffen tussen of er zijn andere verstoringen waardoor de regelmaat ver te zoeken is en de theorie niet meer zo vruchtbaar. Onderzoekers die kristaleigenschappen willen bestuderen en industriëlen die ze willen toepassen, eisen daarom altijd zo zuiver mogelijke kristallen. Dat is het werk van de kristalgroeiers.

“Vroeger werden wij nogal eens beschouwd als 'kristalbakkers', als veredelde ambachtslieden die het onderzoeksmateriaal voor de ware wetenschappers leverden”, zegt Bennema. “Moest je uitkijken dat je niet de loopjongen van de fysicus werd. Het is wel gebeurd dat een onderzoeker extreme eisen aan het kristal stelde en ik een jaar aan het prutsen en experimenteren was om het voor elkaar te krijgen. Maar toen dat gelukt was, bleek hij niet meer geïnteresseerd.”

Het feit dat hij een leerstoel in de kristalgroei bezet, is voor hem een bewijs dat zijn vak een wetenschappelijke status heeft veroverd. Daar komt morgen nog een persoonlijke erkenning bij: dan ontvangt Bennema als derde wetenschapper de Frank-award, een internationale prijs op zijn gebied.

Professor John Giling, een vakgenoot van Bennema en zijn buurman op de Nijmeegse universiteit, loopt naar zijn vitrinekast en haalt er een stevig blok uit. Het lijkt een stuk glas. “Zuiver kwarts, puur synthetisch. Het is een kristal uit één stuk, daarom is het zo doorzichtig”, zegt hij. “Zo zuiver vind je ze in de natuur niet”, vult Bennema aan.

De heldere aanblik van het kwartsblok maakt nieuwsgierig naar het geheim van de kristalsmid. Giling onthult het in grote lijnen. De techniek blijkt in essentie niet anders te zijn dan die van het wollen draadje in de beker. “Kristalgroei begint bij een vloeistof die tegen het smeltpunt aanhangt, of een verzadigde oplossing. Door bijvoorbeeld de temperatuur te verlagen dwing je de moleculen een goed heenkomen te zoeken. Als je op dat moment een entkristal aanbiedt, zullen ze daarop condenseren en kan het kristal groeien.”

Het geheim zit hem vooral in het voorkomen van problemen. Waar laat je de warmte die bij het condenseren vrijkomt? Hoe voorkom je dat het groeiende kristal waterbelletjes insluit? Of het probleem van de 'spontane kiemvorming': de moleculen hebben de neiging om niet alleen aan het ent-kristal te hechten maar ook bij elkaar te klitten en zelf een entkristal te vormen (de frustratie van de jonge onderzoeker met zijn suikerklont).

In de huidige technologie worden deze processen volledig beheerst. Giling noemt als voorbeeld de siliciumstaven die in de halfgeleiderindustrie worden gemaakt. Van de staven worden dunne plakjes gesneden, de bekende chips die hun toepassing vinden in de micro-elektronica. “De staven hebben een doorsnee van zo'n twintig, dertig centimeter en zijn een halve meter lang. Dat is een zuiver kristal, met een nauwkeurigheid van een op de miljard.”

De onderzoekers hebben hun werkterrein al een stuk verder verlegd. Giling maakt bijvoorbeeld materialen die zijn opgebouwd uit dunne lagen van verschillende kristallen. Laagjes van tien, twintig atomen dik. Of hij gebruikt een sjabloon en bedekt slechts een deel van het oppervlak met een dun laagje. Dit gepeuter op een miljoenste vierkante millimeter vereist een goed inzicht in het fysisch proces. “De kristalroosters van de laagjes passen meestal niet op elkaar”, verduidelijkt Giling. “Dat levert allerlei trekspanningen op. Het is dus zaak het kristal niet te snel te laten groeien en de laagjes niet te dik te maken; anders trekt ie scheurtjes.”

Op dit punt scheiden de interesses van de twee hoogleraren zich enigszins. “Jij hebt altijd de elektronica in je achterhoofd”, zegt Bennema tegen zijn collega. “Ik ben toch meer geïnteresseerd in het begrijpen van het proces zelf. Zo van: Hé, ontstaan daar vloeistofbelletjes? Wat gebeurt daar?”

Die laatste vraag blijkt nog lang niet beantwoord te zijn. De wetenschappers weten eigenlijk niet hoe een kristal ontstaat. De kristalgroei daarna wordt aardig begrepen. Bennema haalt enkele grote schuimrubber lappen tevoorschijn waarmee hij de theorie van de spiraalgroei demonstreert. Met de moderne atomic force microscope kan hij zelfs 'zien' hoe de laagjes zich stapelen.

Maar dat eerste begin. . . Wanneer is er sprake van een kristal? Als twee atomen of moleculen elkaar gevonden hebben? Bennema houdt het op duizend moleculen, Giling acht de kiemvorming geslaagd bij een kluit van twintig a dertig stuks. “Mijn oude hoogleraar sprak altijd van het wonder van de kiemvorming”, zegt Bennema. “Dat lijkt me wat overdreven maar ik moet toegeven dat ik de theorie ervan niet ken.” Hoe braak dit terrein nog ligt, bleek vorige maand toen onderzoekers van het Max-Planckinstituut in het Duitse Garching met behulp van een vrij realistisch kristalmodel demonstreerden hoe het smelten van een kristal zou kunnen verlopen. De fysische wereld reageerde enthousiast op het bericht.

Op de vraag wat een mooi kristal is, blijft het even stil. “Een mooi kristal?” herhaalt Giling. “Eigenlijk is elk goed kristal mooi.” Bennema heeft intussen het kwartsblok van tafel gepakt en draait het in zijn handen. “Kijk”, zegt hij. “Deze vlakken lijken glad geslepen, maar ze zitten van nature in het kristal. Het is prachtig dat je met behulp van deze vlakken de moleculaire kristalstructuur kunt herkennen. Vroeger bepaalde je dat door een hele tijd naar het kristal te staren. Nu is dat allemaal gecomputeriseerd. Maar ja, dan zit je weer uren op die uitdraaien te puzzelen.”

Hij weidt uit over de mogelijkheden om de kristalvorm te manipuleren. Hoe een platte structuur door kleine toevoegingen kubisch gemaakt kan worden, of een kubus naaldvormig. Hij illustreert het aan de hand van bismuth-germaniumoxide, waarvan het altijd moeilijk was om een goede kristalvorm te krijgen. Het moet de vorm hebben van een cilinder maar in de praktijk zaten er altijd platte vlakjes in het ronde cilinderoppervlak. Totdat Bennema ooit van Chinezen de techniek leerde om een volmaakte cilinder te maken.

Een paar jaar later was hij op bezoek in een laboratorium in Novosibirsk. Ook daar maakten ze kristallen van bismuth-germaniumoxide, maar dan anders. Bennema: “Ik was met stomheid geslagen. Het was hetzelfde kristal, maar dan geen cilinder maar volkomen gefacetteerd. Allemaal platte vlakjes, prachtig was dat, helemaal regelmatig. Theoretisch zijn zowel de cilindrische als de gefacetteerde variant mogelijk, maar die tweede vorm was door ons nooit gevonden of gemaakt. De Russen vonden het vanzelfsprekend dat het kristal er zo uitzag, zij maakten het al jaren zo. Hun kennis was gewoon niet buiten lab gekomen.”

Een tweede vraag over de schoonheid leidt tot de koning der kristallen, de diamant. Een jaar of veertig geleden lukte het Zweedse onderzoekers om in het laboratorium een diamant te maken. De Zweden hadden voor hun proef een zeer hoge druk en temperatuur nodig. De methode wordt nog steeds toegepast maar is vrij kostbaar.

Giling kan het veel eenvoudiger. Met een lasbrander en een waterkoeling groeit hij polykristallijn diamant. En als hij een klein natuurlijk diamantje als entkristal aanbiedt, kan hij zelfs zuivere monokristallijne diamanten maken die niet van 'echt' zijn te onderscheiden. “Ik denk dat ze zuiverder zijn dan de natuurlijke”, zegt Bennema. Hij wil weten hoeveel deze kosten. Van de Zweedse diamantsynthese is bekend dat het niet rendabel is voor juwelenproduktie. “Hoe zit dat eigenlijk met jouw diamanten?”

Giling wil er niet veel over kwijt. Hij weet niet hoeveel het kost, zegt hij, hij wil het ook niet weten en hij heeft liever niet dat anderen het weten. Bovendien is hij een andere, wetenschappelijk veel interessantere variant op het spoor: de diamant-plaat. Met dezelfde lasbrandertechniek is het hem gelukt gesloten dunne diamantlaagjes te groeien over een aantal losse entkristallen. Dit maakt het mogelijk diamantplaten van een paar vierkante centimeter groot te maken. “Een variant die in de natuur niet voorkomt”, zegt hij niet zonder trots.

De techniek heeft geweldige toepassingsmogelijkheden. Diamant is niet alleen keihard, het is ook de beste warmtegeleider op aarde. Het biedt de mogelijkheid van driedimensionale microelektronica: chipslaagjes gescheiden door diamantplaatjes. “Er is heel wat vernuft nodig om dat te maken”, aldus Bennema. “Je moet bijvoorbeeld de koolstofatomen met waterstof bedekken, anders ben je grafiet aan het maken in plaats van diamant.” Het geeft voor hem nog eens aan dat de kristalgroei meer is dan een ambacht. “Het is een geheel eigen wetenschappelijke discipline met allerlei interessante aspecten. Maar of de buitenwereld dat erkent, is niet zo duidelijk.”