Oriëntatie-afhankelijke wederzijdse kristallijne en amorfe orde in een enkelvoudige fasedeel

Wanneer orde en wanorde naast elkaar bestaan

De meeste materialen om ons heen vallen in twee duidelijke categorieën: kristallen, waarin atomen zich rangschikken in herhalende patronen zoals tegels op een vloer, en glasachtige stoffen, waarin atomen door elkaar zitten als bevroren vloeistof. Deze studie onthult iets verrassends daartussenin: een vaste stof die in twee richtingen glasachtig is maar in de derde richting kristallijn. Die ongewone mix van orde en wanorde kan onze kijk op alledaagse materialen veranderen, van batterijen tot computerchips, en op hoe we ze ontwerpen vanuit het atomaire niveau omhoog.

Een nieuw soort atomair legpuzzel

Kristallen worden gedefinieerd door hun orde op lange afstand: als je weet waar een paar atomen zitten, kun je voorspellen waar veel meer zullen zitten. Amorfe materialen, zoals vensterglas, missen dit herhalende patroon, hoewel atomen nog steeds enige regelmatige afstand tot hun dichtste buren behouden. Decennialang hebben wetenschappers gedebatteerd over hoe de “tussenzone” van medium-range orde te beschrijven, waar het patroon zich een paar atomen ver uitstrekt maar niet tot in het oneindige. De auteurs van dit artikel kiezen een andere invalshoek: in plaats van te vragen of een heel materiaal geordend of ongeordend is, vragen ze of verschillende richtingen binnen hetzelfde vaste lichaam zich anders kunnen gedragen.

Gelaagde rodjes met een verborgen patroon

Het team creëerde dunne films gemaakt van kleine rodjes die niobium, wolfraam en zuurstof (Nb–W–O) bevatten, met pulsed laser deposition, een techniek die korte energiepulsen op een keramisch doel richt om materiaal op een kristaloppervlak op te bouwen. Door te kiezen voor een goed bekend kristallijn basismateriaal, strontiumtitania, en dit langs verschillende vlakken te snijden, konden ze sturen hoe de Nb–W–O-rodjes groeiden. Elektronenmicroscoopbeelden toonden dat binnen elk rodje de atomen in een enkele laag in een ongeordende, glasachtige rangschikking in het vlak liggen. Maar wanneer de onderzoekers langs de loodrechte richting keken, zagen ze dat deze ongeordende lagen gestapeld waren met bijna perfecte, regelmatige afstand over honderden atomaire lagen: een kristal opgebouwd uit glassachtige vellen.

Toevalligheid van dichtbij bekeken

Om te testen hoe willekeurig de lagen werkelijk waren, combineerden de onderzoekers verschillende krachtige meetmethoden. Hoge-resolutie elektronenmicroscopiebeelden, samen met hun Fourier-transformaties, lieten geen herhalend patroon zien in het vlak van elke laag, wat het gebrek aan orde op lange afstand bevestigde. Pair distribution function-metingen, die typische afstanden tussen atomen in kaart brengen, toonden scherpe pieken alleen op zeer korte afstanden, wat aangeeft dat atomen nog steeds basisbouwstenen vormen—octaëdrische eenheden waarbij een metaalatoom omgeven is door zuurstofatomen—maar dat elk groter herhalend patroon snel vervaagt. Geavanceerde röntgenabsorptietechnieken bevestigden dat niobium en wolfraam in deze vervormde octaëders zitten, terwijl chemische kaarten lieten zien dat niobium- en wolfraamatomen door elkaar gemengd zijn zonder een regulier patroon in de laag.

Gestapelde glasvellen die zich als een kristal gedragen

Hoewel elke laag structureel ongeordend is in het eigen vlak, is hun verticale stapeling allesbehalve willekeurig. Driedimensionale reciproke ruimtemapping met synchrotronröntgenstralen, een methode die verstrooiingspatronen omzet in een soort vingerafdruk van atomaire orde, toonde velachtige kenmerken die overeenkomen met simulaties van periodiek gestapelde amorfe lagen. Afhankelijk van hoe het onderliggende strontiumtitania georiënteerd is, groeien de rodjes in één, twee of drie voorkeursrichtingen, maar in alle gevallen is de tussenafstand tussen de lagen vrijwel hetzelfde en sterk gekoppeld aan de tussenafstand van het substraatkristal. Met andere woorden: het basiskristal fungeert als een stijve liniaal, die de glassachtige lagen dwingt zich langs één hoofdas met kristallijne regelmaat op te stapelen, ook al blijven ze zijwaarts ongeordend.

Waarom dit grensgebied ertoe doet

Dit ongewone materiaal laat zien dat de gebruikelijke scheidslijn tussen kristal en glas niet alleen gaat over hoe ver orde reikt, maar ook over in welke richtingen je kijkt. Binnen één enkel vast lichaam kunnen atomen een continu willekeurig netwerk vormen in twee dimensies terwijl ze zich in de derde dimensie toch in een perfect ritme schikken. Die inzicht biedt wetenschappers een nieuw speelveld om eigenschappen af te stemmen: men kan zich materialen voorstellen waarin elektrische geleiding, ionenbeweging of mechanische sterkte sterk directioneel zijn omdat orde en wanorde op een gecontroleerde manier samen bestaan. Buiten dit specifieke niobium–wolfraam–oxide biedt het werk een platform voor het verkennen en modelleren van stapels tweedimensionale amorfe materie, waarmee we beter beschrijven, meten en uiteindelijk ontwerpen van vaste stoffen die tussen de vertrouwde werelden van kristallen en glazen in zitten.

Bronvermelding: Xia, R., Li, J., Birkhölzer, Y.A. et al. Orientation-dependent mutual crystalline and amorphous order in a single phase solid. Nat Commun 17, 2646 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69359-3

Trefwoorden: amorf materiaal, kristallijne orde, niobium wolfraam oxide, dunne film nanorodden, atoomstructuur