Zaadjes planten in aluminium

Al decennia proberen onderzoekers te begrijpen wat er met aluminiumplaten aan de hand is. Door puur toeval werd zo’n vijftig jaar geleden ontdekt dat aluminium, met daarin kleine hoeveelheden silicium en magnesium, zo hard als staal kon worden. De platen moesten dan wel uren verhit worden. Het mooie en tegelijk rare is dat de platen juist zacht zijn wanneer ze eerst bij lage temperatuur worden verhit. Dit fenomeen maakt het spul ontzettend geschikt voor de auto-industrie. Men wist dat het iets te maken moest hebben met kristallen van silicium en magnesium in het metaal, maar tastte over de werkelijke toedracht in het duister.

Het mysterie is nu ontrafeld door dr. Jianghua Chen van het Kavli Instituut en het Netherlands Institute for Metals Research (NIMR). Hij bekeek kleine kristallen met een elektronenmicroscoop en ontdekte dat alle verschillende magnesium-siliciumkristallen die in de loop der jaren beschreven waren, ontstaan uit een kleine voorloperkristal die groeit en van structuur verandert. Zijn bevinding staat in Science van vorige week.

“De kristallen bestaan uit een vast raster van siliciumkolommen, terwijl de atomen daartussen steeds weer anders zijn: aluminium, magnesium of silicium”, vertelt Chen. “Zo’n dynamisch kristal, waarbij een deel vast is en een deel veranderlijk, is een heel zeldzaam verschijnsel.” Pas als de kristallen groot zijn, krijgen ze hun uiteindelijke, ‘volwassen’ samenstelling. Die ‘volwassen’ kristallen werden in 1997 al door het hoofd van Chens afdeling, prof.dr. Henny Zandbergen, gepubliceerd, ook in Science.

“Als fysicus moest ik wel even wennen aan het idee”, vervolgt de onderzoeker, die sinds zijn ontdekking graag in biologische termen praat. “In feite zijn al die andere deeltjes niets anders dan groeifasen. Je kunt het initiële kristal zien als een zaadje.”
Houdbaarheidsdatum

Dat zaadje ontstaat wanneer de platen, vlak nadat ze zijn geperst en afgekoeld, gedurende enkele uren weer worden opgewarmd tot een graad of tachtig Celsius. Tijdens deze ‘voorbehandeling’ groeperen silicium- en magnesiumatomen, die tot dan toe kriskras verspreid lagen, zich in kleine staafjes van slechts twee nanometer dik en enkele nanometers lang (een nanometer is een miljoenste meter). Na deze behandeling is het aluminium nog goed bewerkbaar. De nanodeeltjes groeien vanaf dat moment wel al heel langzaam, waardoor het metaal stugger wordt. De platen hebben hierdoor een houdbaarheidsdatum en moeten binnen enkele weken tot maanden gebruikt worden in de autofabriek. Wanneer het metaal voor de tweede maal wordt verhit, groeien de staafjes uit tot heuse pilaren van twintig tot dertig nanometer lang die auto’s hun stevigheid verlenen.

“Doordat we dit nu weten, kunnen we veel nauwkeuriger aangeven binnen welke termijn het aluminium gebruikt moet worden”, zegt Chen. Een deel van het geld voor zijn onderzoeksproject kwam van metaalfabrikant Corus. Tot nu toe moest het bedrijf zijn aluminiumplaten fabriceren door trial and error. Chorus kan nu efficiënter gaan produceren en gerichter experimenteren met nieuwe platen. Door het onderzoek van Chen is ook duidelijk geworden wat de beste hoeveelheden magnesium en silicium zijn die aan het aluminium toegevoegd moeten worden.

Zijn doorbraak heeft Chen voornamelijk te danken aan de alsmaar gevoeliger wordende elektronenmicroscoop, zegt hij bescheiden. “En twaalf jaar ervaring als microscopist”, voegt hij daar aan toe. “Voor de interpretatie van de beelden heb je een ervaringsdeskundige nodig. Het scherp in beeld krijgen van de nanokristallen is vergelijkbaar met het zichtbaar maken van een pingpongballetje op de maan.”

Door zijn buigzame én staalharde eigenschappen is aluminium erg geschikt voor de auto-industrie (Foto: Hollandse Hoogte)

Al decennia proberen onderzoekers te begrijpen wat er met aluminiumplaten aan de hand is. Door puur toeval werd zo’n vijftig jaar geleden ontdekt dat aluminium, met daarin kleine hoeveelheden silicium en magnesium, zo hard als staal kon worden. De platen moesten dan wel uren verhit worden. Het mooie en tegelijk rare is dat de platen juist zacht zijn wanneer ze eerst bij lage temperatuur worden verhit. Dit fenomeen maakt het spul ontzettend geschikt voor de auto-industrie. Men wist dat het iets te maken moest hebben met kristallen van silicium en magnesium in het metaal, maar tastte over de werkelijke toedracht in het duister.

Het mysterie is nu ontrafeld door dr. Jianghua Chen van het Kavli Instituut en het Netherlands Institute for Metals Research (NIMR). Hij bekeek kleine kristallen met een elektronenmicroscoop en ontdekte dat alle verschillende magnesium-siliciumkristallen die in de loop der jaren beschreven waren, ontstaan uit een kleine voorloperkristal die groeit en van structuur verandert. Zijn bevinding staat in Science van vorige week.

“De kristallen bestaan uit een vast raster van siliciumkolommen, terwijl de atomen daartussen steeds weer anders zijn: aluminium, magnesium of silicium”, vertelt Chen. “Zo’n dynamisch kristal, waarbij een deel vast is en een deel veranderlijk, is een heel zeldzaam verschijnsel.” Pas als de kristallen groot zijn, krijgen ze hun uiteindelijke, ‘volwassen’ samenstelling. Die ‘volwassen’ kristallen werden in 1997 al door het hoofd van Chens afdeling, prof.dr. Henny Zandbergen, gepubliceerd, ook in Science.

“Als fysicus moest ik wel even wennen aan het idee”, vervolgt de onderzoeker, die sinds zijn ontdekking graag in biologische termen praat. “In feite zijn al die andere deeltjes niets anders dan groeifasen. Je kunt het initiële kristal zien als een zaadje.”
Houdbaarheidsdatum

Dat zaadje ontstaat wanneer de platen, vlak nadat ze zijn geperst en afgekoeld, gedurende enkele uren weer worden opgewarmd tot een graad of tachtig Celsius. Tijdens deze ‘voorbehandeling’ groeperen silicium- en magnesiumatomen, die tot dan toe kriskras verspreid lagen, zich in kleine staafjes van slechts twee nanometer dik en enkele nanometers lang (een nanometer is een miljoenste meter). Na deze behandeling is het aluminium nog goed bewerkbaar. De nanodeeltjes groeien vanaf dat moment wel al heel langzaam, waardoor het metaal stugger wordt. De platen hebben hierdoor een houdbaarheidsdatum en moeten binnen enkele weken tot maanden gebruikt worden in de autofabriek. Wanneer het metaal voor de tweede maal wordt verhit, groeien de staafjes uit tot heuse pilaren van twintig tot dertig nanometer lang die auto’s hun stevigheid verlenen.

“Doordat we dit nu weten, kunnen we veel nauwkeuriger aangeven binnen welke termijn het aluminium gebruikt moet worden”, zegt Chen. Een deel van het geld voor zijn onderzoeksproject kwam van metaalfabrikant Corus. Tot nu toe moest het bedrijf zijn aluminiumplaten fabriceren door trial and error. Chorus kan nu efficiënter gaan produceren en gerichter experimenteren met nieuwe platen. Door het onderzoek van Chen is ook duidelijk geworden wat de beste hoeveelheden magnesium en silicium zijn die aan het aluminium toegevoegd moeten worden.

Zijn doorbraak heeft Chen voornamelijk te danken aan de alsmaar gevoeliger wordende elektronenmicroscoop, zegt hij bescheiden. “En twaalf jaar ervaring als microscopist”, voegt hij daar aan toe. “Voor de interpretatie van de beelden heb je een ervaringsdeskundige nodig. Het scherp in beeld krijgen van de nanokristallen is vergelijkbaar met het zichtbaar maken van een pingpongballetje op de maan.”

Door zijn buigzame én staalharde eigenschappen is aluminium erg geschikt voor de auto-industrie (Foto: Hollandse Hoogte)