Snel bewegende eilandjes in een stollende zee

Het direct bestuderen van het dynamische gedrag en de onderlinge wisselwerking van bijvoorbeeld atomen is lastig. Daarom bedenken onderzoekers graag modelsystemen die wel vergelijkbare eigenschappen hebben als het eigenlijke voorwerp van onderzoek, maar die eenvoudiger te hanteren zijn. In het Van 't Hoff laboratorium van de Universiteit Utrecht bestaat grote deskundigheid in het maken van modelsystemen om het gedrag van een atomaire vloeistof of een vaste stof in amorfe vorm of kristalvorm te onderzoeken. Die systemen bestaan uit colloïdale deeltjes die zweven in een vloeistof. Colloïden zijn veel groter dan atomen (zo tussen de eenmiljoenste en eenduizendste millimeter) en ze bewegen veel langzamer dan echte atomen. Zo kan de invloed van de deeltjes op elkaar goed worden gevolgd. Tegelijk bestaat er een diepe analogie tussen de structuur in een vloeistof die uit atomen bestaat en zwevende colloïden in een vloeistof. Daarom staat zo'n colloïdsysteem werkelijk model voor wat er zich in het echt in een vloeistof afspeelt.

Zwevende deeltjes
Colloïden zijn zo groot dat ze met een lichtmicroscoop te zien zijn, terwijl atomen uiteraard vele malen kleiner zijn en daarom alleen met bijvoorbeeld een scanning tunneling microscoop (STM) kunnen worden gezien. Bovendien zweven de colloïden in een voor licht doorzichtige vloeistof, zodat ze ook in drie dimensies gevolgd kunnen worden en dat is met een STM onmogelijk. Onderzoekers van het Van 't Hoff laboratorium en het FOM-Instituut AMOLF hebben de afgelopen jaren een techniek ontwikkeld om met behulp van een confocale rastermicroscoop snel en heel nauwkeurig de positie van zwevende colloïden in drie dimensies te bepalen. Eén truc daarbij is om de colloïdale deeltjes te voorzien van een fluorescerende kern, zodat de positie precieser kan worden vastgesteld. Een tweede truc van meer recente datum is om de schil rond de fluorescerende kern van een lichter materiaal te maken dan voorheen. Daardoor blijven de deeltjes beter zweven en wordt hun zichtbare beweging hoofdzakelijk veroorzaakt door de invloed van deeltjes in de omgeving en niet door de zwaartekracht. Deze tweede truc is voor het nu uitgevoerde experiment heel belangrijk.

Overgang van vloeistof naar glas
De onderzoekers, dr. Willem Kegel (Universiteit Utrecht) en prof.dr. Alfons van Blaaderen (AMOLF en Utrecht), zijn onder andere geïnteresseerd in de vraag wat er in een vloeistof gebeurt wanneer die snel overgaat naar een vaste toestand zonder regelmatige kristalstructuur (amorf materiaal of glas genoemd). De stabiliteit en de mechanische eigenschappen van een dergelijke toestand worden bepaald door de manier waarop de bewegingen van de atomen vertragen. Daarom kan fundamenteel inzicht in dit verloop ook praktische betekenis hebben. Op basis van de theorie, van computersimulaties en van zeer recente, zeer indirecte experimenten is gespeculeerd dat de vertraging van de atomen niet mooi gelijkmatig zal verlopen, maar dat zich - in het jargon - dynamische heterogeniteiten voordoen. Tegen de overgang naar de glasfase toe ontstaan dan gebiedjes waarin de deeltjes van de vloeistof al veel langzamer bewegen dan eerst, terwijl elders die beweging nog snel is. Het is alsof zich in een 'stollende' zee nog zeer mobiele eilandjes bewegen. Naarmate de vloeistof verder afkoelt tot de glasovergang worden ook de snelle deeltjes traag.

Kegel en Van Blaaderen zien in hun modelsysteem dit nu, als eersten, ook daadwerkelijk gebeuren. Daarbij komt dat langdurige zweven van de deeltjes in hun systeem aan de orde. In de buurt van de glasovergang gaan de processen in de vloeistof - en ook in het modelsysteem - heel langzaam verlopen. Omdat de nieuwe colloïden zo lang zweven, zakten ze niet in de vloeistof naar beneden, maar bleven uren lang in het brandvlak van de confocale microscoop. Daardoor konden de onderzoekers de overgang naar de glastoestand werkelijk zien gebeuren. De veronderstelde dynamische heterogeniteiten bestaan dus. Ze verklaren tevens al eerder langs spectroscopische weg opgemerkte vreemde afwijkingen van de gemiddelde verplaatsing van deeltjes in een vloeistof die naar de glastoestand gaat.