Is dat wel een kristal?

Een kristal is een vast materiaal waarin de atomen in een bepaald patroon zijn gerangschikt en waarbij de regelmaat van het oppervlak de interne symmetrie weerspiegelt. Een kristal bestaat uit miljoenen afzonderlijke structurele eenheden die we eenheidscellen noemen. Deze cellen herhalen zich in alle richtingen en vormen zo een geometrisch patroon, dat zich uit in het aantal en de oriëntatie van de uitwendige oppervlakken die we kristalvlakken noemen.

Symmetrie is een fundamentele eigenschap van kristallen en alle kristallen kunnen worden ingedeeld op basis van hun belangrijkste symmetrie-elementen. Er zijn zeven basissystemen: kubisch, trigonaal, hexagonaal, tetragonaal, orthorombisch, monoklien en triklien. De wetenschappelijke studie van kristallen en het bepalen van hun structuur heet kristallografie.

Bekende voorbeelden van grote kristallen zijn diamanten, sneeuwvlokken en keukenzout. De meeste anorganische vaste stoffen zijn geen kristallen maar polykristallen, waarin meerdere microscopische kristallen zijn samengevoegd tot een vaste stof. De meeste metalen, stenen, keramiek en ijs zijn polykristallijn. Kristalglas is net als gewoon glas amorf en is dus juist geen kristal. Het grootste kristal dat ooit in de natuur is gevonden is een berilkristal uit Madagaskar: 18 meter lang met een diameter van 3,5 meter. Het kristal weegt 380 ton.

Een quasikristal bestaat uit atomen die wel een hoge mate van orde vertonen, maar strikt gezien niet periodisch zijn. Ze vertonen een aantal gelijkenissen met normale kristallen, zoals dat ze een discreet patroon laten zien in röntgendiffractie en dat de macroscopische vorm ook gladde platte vlakken kan vormen. Ze staan erom bekend dat ze vijfvoudige symmetrie kunnen hebben, wat onmogelijk is voor gewone periodieke kristallen.

Kristallen onder de elektronenmicroscoop

Joke Hadermann geeft kristalkunde aan de Universiteit van Antwerpen en onderzoekt kristallijne materialen in een transmissie elektronenmicroscoop (TEM). Ze is ook de voorzitter van het Nationaal Comité voor Kristallografie. Haar specialiteit is elektronendiffractie, waarbij ze meestal kijkt naar nanokristallijne materialen. Daarmee probeert ze bijvoorbeeld inzicht te krijgen in het degradatieproces van batterijkathoden en materialen voor zuurstofopslag.

De onderzoeksgroep van Joke Hadermann onderzoekt hele kleine volumes kristallijn materiaal met de TEM. Dat moet ook wel, anders gaat de elektronenbundel er niet doorheen. De kristalletjes die ze onderzoekt zijn kleiner dan een micron.

Momenteel specialiseert ze zich in het uitvoeren van in situ onderzoek. Zij en haar collega’s nemen diffractiepatronen op terwijl er een reactie aan de gang is in de elektronenmicroscoop. Ze kijken veel naar batterijmaterialen, waarvoor ze een kleine gesloten cel hebben met daarop kathodemateriaal. Vervolgens laten ze het materiaal laden en ontladen binnen de gesloten cel en kijken wat er met de diffractie gebeurt.

Ze kijken ook naar materialen voor zuurstofopslag tijdens het reageren. Deze materialen bevinden zich dan niet in een vloeistof, maar in een gas. Dat is uniek. Hadermanns groep is de enige ter wereld die dat met driedimensionale elektronendiffractie (3DED) doet. Hadermann: ‘Normaal werk je in een microscoop in een hoog vacuüm. Als je de elektronenbundel er op schiet is het niet hetzelfde als wanneer je het in een gasomgeving zou zetten. Om representatieve resultaten te krijgen moet je dezelfde omgeving hebben als waar het in gebruikt zou worden. Met diffractie zie je niet direct alle atomaire kolommen liggen, maar krijg je een driedimensionaal rooster van reflecties dat er uitziet als een heleboel puntjes. Je moet bedenken hoe je daar de kristalstructuur uit krijgt. 3DED en in situ TEM worden nog niet zoveel gebruikt en er is geen andere groep die het al combineert.’

‘Voor ons was het mooi dat die techniek die wij hier als eerste proberen nieuwe informatie geeft waar men al jaren naar zocht.’

De energiematerialen waar Hadermann naar kijkt zijn nog niet duurzaam. Bij gebruik worden ze steeds slechter en er loopt wereldwijd veel onderzoek naar waarom dat gebeurt. Een alternatieve techniek is röntgendiffractie (XRD), maar bij die techniek moet het sample vermengd zijn met een binder en een geleidend materiaal. Dat veroorzaakt veel achtergrondruis en de signal-to-noise ratio is laag. Met elektronendiffractie kun je zulke kleine stukjes bekijken dat je de materialen uit elkaar kunt houden. ‘Je kunt het stukje eruit pikken dat het actieve materiaal is. Dan krijg je hele zuivere éénkristaldiffractiepatronen.’

Het grote voordeel van elektronendiffractie is dat de interactie van het materiaal met de bundel veel sterker is dan bij röntgenstraal- of neutronendiffractie. ‘Daarvoor heb je een kristal nodig dat groter is dan een paar honderd micron. Bij elektronendiffractie heb je maar een paar nanometer nodig. Op die schaal kun je met XRD alleen poederdiffractie doen. Dan krijg je een curve met pieken en veel reflecties gaan overlappen. Bij eenkristaldiffractie heb je een driedimensionale ruimte waar elke reflectie zijn eigen positie heeft, daar zit veel meer informatie in.’

Met hun in situ techniek wist de groep van Hadermann de structuur van de brownmillerietvorm van strontiumijzeroxide te verfijnen, een materiaal waar al jaren tegenstrijdige informatie over was. Het is een zogeheten getwind materiaal; een normaal kristal groeit in één richting, een twin groeit in allerlei richtingen, waardoor alle verschillende reflecties gaan overlappen. Met driedimensionale elektronendiffractie konden ze zo’n klein gebied opnemen dat ze een stukje konden bekijken dat niet getwind was. ‘Voor ons was dat mooi om aan te tonen dat die techniek die wij hier als eerste proberen nieuwe informatie geeft waar men al jaren naar zocht.’

De komende tijd zal Hadermann haar analyse van batterijmaterialen verder optimaliseren. ‘Als je met de elektronenbundel door het elektrolyt heen wilt, dan wordt een groot deel van de bundel al verstrooid door de vloeistof zelf en blijft er weinig signaal over. We willen een helder diffractiepatroon krijgen op de detector, zodat we effectief kunnen volgen wat er tijdens elke stap gebeurt van het laden en ontladen.’

Pseudowetenschap – kristallen als populair alternatief geneesmiddel

Zoek op een populaire webwinkel naar boeken over kristallen binnen de categorie wetenschap en natuur en je vindt honderden resultaten waarin kristallen worden gepresenteerd als stenen met een helende werking. Kristaltherapie is een pseudowetenschappelijke alternatieve geneeswijze die claimt dat edelstenen en sierstenen zoals kwarts en opaal een geneeskrachtige werking hebben. Er is echter geen wetenschappelijke basis voor deze claim. Uit wetenschappelijke studies bleek dat het enige effect op het lichaam een placebo-effect was.

Kristalstructuur ondermijnt patent

Zodra het gaat over psychoactieve stoffen die mogelijk een klinische toepassing hebben, gaat het als snel over psilocybine. Dit hallucinogeen uit de tryptinefamilie wordt geproduceerd door honderden schimmelsoorten. Sommige van deze paddenstoelen, de ‘magic mushrooms’, worden daarom speciaal gekweekt en verkocht voor hun psychoactieve eigenschappen. De structuur van psilocybine is voor het eerst bepaald in 1959 en sindsdien is de stof toegepast in, soms omstreden, klinisch onderzoek, waaruit blijkt dat het zou kunnen helpen bij de behandeling van verschillende psychische aandoeningen, waaronder depressie.

Er zijn drie bekende kristallijne vormen van psilocybine: hydraat A, polymorf A en polymorf B. In patenten voor farmaceutische middelen dient de polymorf waarin een medicijn afgeleverd wordt precies beschreven te zijn. Een nieuw ontdekte polymorf van een bepaalde stof kan een patent dus volledig omzeilen.

Amerikaanse onderzoekers publiceerden recent een studie in Acta Crystallographica Section C naar de kristalstructuren van psilocybine, waarin ze ook keken naar recent gepatenteerde vormen. De structuur voor hydraat A was al volledig bepaald met XRD en de onderzoekers gebruikten de Rietveld methode (een techniek voor het karakteriseren van kristallijne materialen) om de structuren van polymorfen A en B te bepalen. Met de drie opgeloste structuren bij de hand onderzochten ze in welke mate deze drie vormen aanwezig waren in verschillende bulkpartijen psilocybine die zijn geproduceerd tussen 1963 en 2021.

Het bleek dat alle samples één of meer van de drie structuren vertonen. De onderzoekers raden aan dat recente patenten verleend aan de zogenaamde ‘isostructuurvariant’ van kristallijn psilocybine worden herzien. Het onderzoek laat zien dat dit materiaal eigenlijk uit 81% polymorf A en 19% polymorf B bestaat, twee vormen die historisch gezien vaker zijn aangetoond. Er was geen andere structuur nodig om de diffractiepatronen te verklaren. Dat betekent dat deze zogenaamd nieuwe variant eigenlijk een combinatie van bestaande varianten is en dus mag worden gepatenteerd.

Kristallen in het lichaam – jicht, nierstenen en het evenwichtsorgaan

Er zitten maar weinig kristallen in ons lichaam. De enige kristallen die normaal gesproken in ons lichaam groeien zien we bij de aanmaak van tanden en bot. Als er op andere plekken kristallen ontstaan, zoals in de gewrichten of in de urinewegen, veroorzaakt dat meestal problemen.

Bij kristalartritis veroorzaakt kristalvorming in gewrichten of pezen een ontstekingsreactie. Dat begint met te veel urinezuur in het bloed. Als de urinezuurkristallen zich opstapelen, kunnen ze neerslaan in gewrichten en pezen, maar ook in de huid en in de urinewegen. Vervolgens ontstaat bijvoorbeeld gewrichtsontsteking of peesontsteking. Ophopingen van deze uraatkristallen, ook wel jichtkristallen genoemd, kunnen zichtbare bulten veroorzaken. Om jicht te diagnosticeren kan een reumatoloog met een holle naald vocht afnemen uit het gewricht waar een ontsteking in zit. Deze legt het vocht vervolgens onder een microscoop om te zien of er kristallen in zitten.

Nierstenen zijn ook een symptoom van jicht, al gaan de twee aandoeningen niet altijd samen. Nierstenen vormen in de urinewegen wanneer afvalstoffen in de urine kristalliseren. De belangrijkste oorzaak is een te hoog gehalte van bepaalde zouten in de urine. De meeste nierstenen bestaan voornamelijk uit calciumoxalaat. Andere mogelijke verbindingen zijn struviet, calciumfosfaat, urinezuur en cystine, al komt die laatste alleen voor bij mensen met de erfelijke ziekte cystinurie.

Als nierstenen losraken uit de nier en in de urineleider terecht komen, kan dat hevige pijn veroorzaken. Zodra de steen uit de blaas is, verdwijnen de klachten weer. De meeste stenen worden na een aantal dagen of uren afgevoerd, maar als de steen een infectie veroorzaakt, is er meestal een medische ingreep nodig. Je kunt nierstenen zien in een CT-scan van de buik. Er zijn verschillende manier om nierstenen te verwijderen, bijvoorbeeld door vergruizing, door deze via de urineleider weg te halen, door chemolyse of in uitzonderlijke gevallen door operatief ingrijpen.

In het oor

Een ander belangrijk kristal in het menselijk lichaam en andere gewervelde soorten is een otoliet. Dit is een structuur in het binnenoor die voornamelijk uit calciumcarbonaatkristallen bestaat. Otolieten staan in verbinding met de slakkenhuiswand en het evenwichtsorgaan en samen zorgen ze dat we zwaartekracht en lineaire versnelling kunnen waarnemen, zowel horizontaal als verticaal. Otolieten hebben net als bomen groeiringen, en het tellen van jaarlijkse groeiringen is een bekende methode om de leeftijd van vissen te bepalen.