Klei en kleimineralen: van pottenbakkerij tot nanotechnologie
Klei is het oudst gekende, door de mens gebruikte materiaal. De eerste vondsten dateren van 25000 jaren vóór Christus (jvC). De oudste resten van pottenbakkerij gaan terug tot 8000 jvC. Dan komen steenbakkerijen (2500 jvC) en later allerlei nieuwe toepassingen in o.a. het wassen van kledingsstukken, in de cosmetica. Heden ten dage zijn deze toepassingen zo uitgebreid dat het wereldverbruik van klei op minimum 100 miljoen ton per jaar geschat wordt. De aktieve bestanddelen van klei zijn de kleimineralen. Dit zijn gelaagde silikaten met afmetingen in het nanometergebied.Struktuur van kleimineralen
De kleimineralen hebben een plaatvormige structuur. De elementaire plaatjes bestaan ofwel uit drie lagen zuurstofatomen waartussen zich Si, Al of Mg bevinden ofwel uit vier lagen van zuurstofatomen waartussen zich Si, Al, Mg, of Li bevinden. De eerste noemt men 1:1 kleimineralen; de tweede 2:1 kleimineralen. De eerstegenoemde hebben een dikte van 0.75 nm; de tweede van 0.96 nm. Deze laatste hebben ook het fenomeen van isomorfe substitutie of de vervanging van één kation door een ander met een kleinere lading bv. Si4+ door Al3+; Al3+ door Mg2+; Mg2+ door Li+. Hierdoor dragen de elementaire plaatjes een negatieve lading, die gecompenseerd wordt door uitwisselbare kationen. Macroscopisch komen kleimineralen voor als een wit poeder. De korrels van dit poeder zijn een aggregaat van elementaire kleiplaatjes, waartussen zich de uitwisselbare kationen bevinden. In water zuigen deze kationen watermolekulen op. Hierdoor worden de elementaire kleiplaatjes uit elkaar gedreven. Men zegt dat de klei zwelt en men noemt deze kleimineralen smectieten, wat zwelbare kleimineralen betekent.
Eigenschappen van smectieten
1. Plaatvormige structuur met een dikte van 0.96 nm en een lengte en breedte van enkele tientallen tot honderden nanometers.
2. Zwelbaar: de aggregaten vallen in water uiteen tot elementaire plaatjes van 0.96 nm dikte
3. uitwisselbare kationen: elk kation kan door eender welk ander kation vervangen worden
4. hydrofiele en hydrofobe kleimineralen. Als de uitwisselbare kationen watermolekulen aantrekken, dan spreekt men van hydrofiele kleimineralen. Dit is het geval voor de anorganische kationen zoals Na+, Ca2+ enz.. Met organische kationen, die niet of weinig oplosbaar zijn in water wordt het kleimineraal hydrofoob of waterafstotend.
Toepassingen
De hierboven opgesomde eigenschappen liggen aan de basis van de toepassingen van kleimineralen. Door kationuitwisseling worden zware metalen vastgezet op de kleimineralen. Deze techniek wordt dan ook gebruikt in sanering van milieuvervuiling en bij de berging van radio-actief afval in ondergrondse kleilagen
bv. De kleilaag van Mol. In kleirijke bodems houdt de klei het water vast, zodat de bodem beter beschermd is tegen uitdroging. De klei houdt ook de anorganische voedingselementen vast (Ca2+, Mg2+, K+, NH4+), die aan de wortels van de planten
afgegeven worden. Kleibodems zijn dus vruchtbaar.
In modern wetenschappelijk onderzoek op kleimineralen wordt van dezelfde eigenschapen gebruikt gemaakt om er nieuwe materialen of nanomaterialen mee te maken. Het principe is als volgt. De elementaire kleiplaatjes die in water willekeurig door elkaar diffunderen, worden geordend in monolagen. Dit gebeurt door hydrofobe kationen op het wateroppervlak aan te brengen. Deze kationen verzamelen de elementaire kleiplaatjes via de kationuitwisselingsreactie aan het wateroppervlak. Er ontstaat een monolaag van elementaire kleiplaatjes, bezet met de hydrofobe kationen. Deze monolaag kan afgezet worden op een substraat zoals glas, Si, mica, ZnSe, en Ge. De kleiplaatjes zelf hebben geen specifieke eigenschappen zoals lichtabsorptie en –emissie, ze zijn chemisch inert en geleiden de elektriciteit niet. Deze eigenschappen moeten worden ingebracht door de geadsorbeerde molekulen. Door de juiste combinatie van elementaire kleiplaatjes en molekulen bekomt men nanofilmen met specifieke eigenschappen. Ze zijn hydrofoob of waterafstotend; ze kunnen niet-lineaire optische eigenschappen bezitten of magnetische eigenschappen of het oppervlak kan chiraal gemaakt worden. Voor elk van deze eigenschappen gebruikt men specifieke molekulen, die dan nog op een specifieke manier moeten geordend worden op het oppervlak van de kleimineralen in de nanofilmen. Men bekomt dan een dubbele ordening: deze van de elementaire kleiplaatjes in een monolaag en deze van de molekulen op het oppervlak van de elementaire kleiplaatjes in de monolaag. Het is deze unieke combinatie die maakt dat deze nanofilmen nog een mooie toekomst voor zich hebben.
Literatuur
1. Clay Minerals. E. Nemecz, Akademiai Kiado, Budapest, 1981 2. Clay mineralogy. R.E. Grim, McGraw Hill, NY, 1968.
3. CMS Workshop Lectures vol. 11: Teaching Clay Science. A.C. Rule and S. Guggenheim, eds., The Clay Minerals Society, Aurora, 2002.
4. The Chemistry of Clay-Organic Reactions. B.K.G. Theng, Adam Hilger, London, 1974.
5. Molecular and particulate organization in organo-clay monolayers. R.H.A. Ras, doctoraatsproefschrift N°588 van de faculteit bio-ingenieurswetenschappen.
VRAGEN
1. Wat zijn een elementair kleiplaatjes? Hoe worden ze ingedeeld?
2. Wat is hydrofiel en hydrofoob? Hoe maakt men kleimineralen hydrofoob?
3. Wat is kationuitwisseling en in welke toepassingen komt deze eigenschap vooral tot uiting?
4. Wat zijn zwelbare kleien?
5. Wat zijn de eigenschappen van zwelbare kleien? Hoe wordt van deze eigenschappen gebruik gemaakt om nanofilmen te synthetiseren?
