Zuurstofmagneet met grote mogelijkheden

Magnetisch zuurstof? Dat klinkt raar. En gelukkig is het ook niet zo dat zuurstof straks aan de koelkastdeur blijft plakken. Graeme Blake, scheikundige en materiaalkundige, heeft ontdekt dat kristallen van cesiumsuperoxide (CsO2) bijzondere magnetische eigenschappen hebben. De resultaten zijn op 1 juni verschenen in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters.

Het is een ingewikkeld verhaal, maar wel de moeite waard. Want uiteindelijk gaat het er over hoe de manier waarop atomen bij elkaar in een kristal zitten, de eigenschappen van dat kristal kan bepalen.

Stap 1: magnetisme

Een gewone magneet trekt ijzer aan. Hoe gebeurt dat eigenlijk? Rond ieder ijzeratoom in de magneet draait een wolkje elektronen. Zo’n elektron draait om z’n as (de spin, heet dat) en dat maakt ‘m magnetisch. Elektronen kunnen twee soorten spin hebben: op of neer. Bij de meeste atomen zijn alle elektronen gepaard: tegenover een op-elektron staat een neer-elektron. In die situatie heffen de twee tegenovergestelde ‘magnetische momenten’ elkaar op. Bij ijzeratomen vind je een ongepaard elektron. In een normaal stuk ijzer zitten clusters atomen waarvan de ongepaarde elektronen allemaan op of neer staan. Maar in een stuk ijzer zitten een groot aantal clusters waarvan het 'magnetisch moment' niet dezelfde kant op staat. Netto is ijzer daarom niet magnetisch is. Maar wanneer je ijzer in een sterk magneetveld brengt, richten al die clusters zich dezelfde kant op. En dan is het ijzer magnetisch.

Er zijn verschillende metalen die net als ijzer magnetisch kunnen zijn. Die heten ‘overgangsmetalen’ en ze kunnen permanente magneten vormen. En ook de zware 'zeldzame aarden' zoals bijvoorbeeld nodymium. Maar lichte metalen kunnen dat niet. Dacht men.

Stap 2: cesiumoxide

Robert de Groot, een theoretisch materiaalkundige, rekende een paar jaar geleden uit dat verbindingen met superoxide (O2-) ook magnetisch kunnen zijn. Dat was nog nooit aangetoond. Een mooie uitdaging voor Graeme Blake, onderzoeker bij het Zernike Institute for Advanced Materials en zijn promovendus Syarif Riyadi. Zij maakten kristallen van cesiumsuperoxide en onderzochten de eigenschappen.

En nee, ze blijven niet op de koelkast plakken. Cesiumsuperoxide is niet magnetisch. Maar het heeft wel een heel bijzondere structuur. Hierboven stond dat bij een ijzeren magneet de ongepaarde elektronen dezelfde spin hebben. In kristallen cesiumsuperoxide, zo ontdekte Blake, bevinden zich ook ongepaarde elektronen. Die vliegen rond de twee zuurstofatomen die het superoxide (O2-) vormen. Het plaatje hiernaast laat zien hoe een kristal van superoxide eruit ziet.

De bolletjes zijn de atomen, de ovale wolkjes de baan van het ongepaarde elektron. En die vormen een zig-zag lijn door het kristal. Wat Blake ontdekte is dat de op- en neer spin elkaar afwisselen in die zig-zag lijn. Netto is het materiaal dus niet magnetisch.

Stap 3: so what?

Nee, kristallen cesiumsuperoxide zijn niet magnetisch. Maar de banen van de vrije elektronen zijn sterk geordend in deze kristallen. En niemand had dat eigenlijk verwacht. Zulke geordende banen vind je alleen bij zwaardere atoomkernen zoals ijzer, dacht men. Vandaar dat het onderzoek van Blake is gepubliceerd in een toptijdschrift. En de redactie van het tijdschrift heeft het zelfs aanbevolen aan de lezers als een boeiend en baanbrekend artikel.

Maar wie ligt daar wakker van, behalve een paar natuur- en scheikundigen? Nou, misschien jij wel, over een jaar of twintig. Het vermoeden van Blake en zijn collega’s is dat er andere verbindingen met superoxide zijn waar de spin van de vrije elektronen allemaal dezelfde kant op gaan, en die dus wel magnetisch zijn. Bovendien kan je de spin dan omdraaien, je kunt een kristal dus ‘op’ of ‘neer’ magnetische maken. En dan heb je een magnetisch bitje, waarmee je informatie kunt opslaan. Het is ver weg, maar dit soort nieuwe materialen kan uiteindelijk harde schijven opleveren die minder energie gebruiken, sneller zijn en per oppervlakte meer informatie kunnen bevatten.

Stap 4: Graeme Blake

Waarom gaat iemand de baan van vrije elektronen in kristallen cesiumsuperoxide bepalen? Daar moet Graeme even over nadenken. “Ik heb een bachelor scheikunde gedaan. Vooral organische chemie”, vertelt hij. Aan het eind van de studie deed hij een onderzoekje met zeolieten, grote kristalachtige mineralen die onder meer in waspoeder zitten. Ze bevatten heel veel holtes waarin spannende reacties kunnen plaatsvinden.

“Op die manier raakte ik geïnteresseerd in de relatie tussen de structuur van een materiaal en z’n eigenschappen”, vertelt Graeme verder. “En dat ging uiteindelijk terug tot de manier waarop atomen in een kristal geordend zijn.” Hij promoveerde in 1999 aan de Universiteit van Oxford, werkte toen een paar jaar in Groningen en weer in Engeland om in 2005 terug te keren naar de RUG. En hier werkt hij nu dus aan zuurstofmagneten. Om uit te zoeken hoe ze in elkaar zitten en waar hun bijzondere eigenschappen vandaan komen.