Lichtdoorlaatbaarheid van aluminiumoxide

Aluminiumoxide kan afhankelijk van de materiaalstructuur – en daardoor van het maakproces – helemaal ondoorzichtig, translucent (doorschijnend) of transparant (doorzichtig) zijn. Lichtverstrooiing is hier het sleutelwoord.

De meeste producten van aluminiumoxide zijn gemaakt van zuiver aluminiumoxidepoeder met een goed gedefinieerde korrelgrootte. Deze poederdeeltjes komen in een eerste vormgevingsstap (bijvoorbeeld persen) al dicht tegen elkaar aan te liggen, met lege ruimte – bijvoorbeeld opgevuld door lucht – tussen de korrels. Ze bakken tijdens de laatste stap – het sinteren – bij hoge temperatuur aan elkaar tot het eindproduct. Hoe hoger de sintertemperatuur, des te beter de korrels aan elkaar bakken en des te minder porositeit tussen de korrels overblijft. De meeste producten van aluminiumoxide worden niet 100% dichtgesinterd. Grenzen tussen de korrels en resterende poriën, beide in dezelfde ordegrootte als de golflengte van het licht, zijn bronnen voor lichtverstrooiing voor deze producten, waardoor ze wit tot lichtgeel van kleur zijn – en niet doorzichtig.

Translucent aluminiumoxide tref je aan in metaalhalogenidelampen en hogedruk natriumlampen. Laatstgenoemde lampen met hun typische oranje kleur kom je langs de snelweg tegen. Aluminiumoxide is één van de weinige materialen die de corrosieve eigenschappen van natrium en de hoge druk en de hoge temperatuur in de lamp kunnen weerstaan, en tegelijkertijd doorschijnend zijn. Door een klein beetje magnesiumoxide als sinterhulpmiddel te gebruiken verdwijnen vrijwel alle poriën tussen de korrels en kan aluminiumoxide bij de juiste sintertemperatuur wel tot aan zijn theoretische dichtheid gesinterd worden. Doordat er toch korrelgrenzen tussen de aluminiumoxidekorrels blijven zitten, is het materiaal niet volledig transparant maar translucent. Het materiaal zou je nog transparanter kunnen maken door aluminiumoxidekorrels van enkele tientallen nanometers grootte (‘nanokorrels’) als basismateriaal te nemen. Hier is de grootte van de korrelgrenzen veel kleiner dan de golflengte van het zichtbare licht, en speelt verstrooiing van dit licht dus een veel minder grote rol.

Synthetische saffier is éénkristallijn aluminiumoxide. Omdat het materiaal één groot kristal is zijn er geen korrelgrenzen of poriën die licht kunnen verstrooien, en is het materiaal doorzichtig. Zo’n groot éénkristal wordt gemaakt door een klein kiemkristal van saffier in een bad gesmolten aluminiumoxide onder te dompelen, en dit kiemkristal voorzichtig omhoog te trekken. Het gesmolten aluminiumoxide koelt daarbij af en kristalliseert uit in dezelfde kristalstructuur als van het kiemkristal. Het materiaal vindt onder meer toepassing als lens voor camera’s in smartphones.

Doorzichtig aluminiumoxide heeft de filmindustrie duidelijk geïnspireerd. ‘Transparant aluminium’ komt in de sciencefictionfilm ‘Star Trek IV: The Voyage Home’ voor als niet-bestaand materiaal waarvan een gigantisch aquarium wordt gemaakt, om walvissen aan boord van een ruimteschip te transporteren …