Een heldere blik op troebele vloeistoffen
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit van Amsterdam hebben een methode ontwikkeld om te kijken naar de beweging van deeltjes en naar de structuur in stoffen die voor gewoon licht vrijwel ondoorzichtig zijn. De methode combineert laserlicht met heldere röntgenstraling van één bepaalde golflengte. Deze aanpak zal, zo verwachten de onderzoekers, een heel nieuw terrein van onderzoek openen. Op 4 december promoveert FOM-onderzoeker Dirk Riese bij de Universiteit van Amsterdam op zijn bijdrage aan dit onderzoek. Eerste experimenten hebben intussen laten zien, dat de beweging van deeltjes in dichte vloeistoffen hiermee beter kan worden begrepen. Op 18 december verschijnt er van de onderzoeksgroep een artikel hierover in het vooraanstaande vaktijdschrift Physical Review Letters. Dit onderzoek is van belang omdat allerlei vloeibare substanties in het dagelijks leven - melk, verf, bloed, smeervloeistoffen - dit soort gedrag vertonen. Ook het maken van fotonische materialen, een belangrijke activiteit in Amsterdam, is gebaat bij deze kennis.
Wij zien de wereld om ons heen omdat overal licht door voorwerpen wordt weerkaatst en verstrooid. We spreken van weerkaatsing als een lichtgolf een voorwerp treft dat veel groter is dan zijn golflengte. Als een lichtgolf een object treft dat kleiner is dan zijn golflengte, dan wordt hij verstrooid. Een voorbeeld. Stel je een schip voor dat door een haven vaart. De boeggolf van het schip mag over kleine afstanden als recht worden beschouwd. Als die golf een meerpaal treft, zien we na passage van het golffront cirkelvormige golven met de paal als centrum en met een hoogte (amplitude) die veel lager is dan die van de oorspronkelijke boeggolf. De golf is één maal verstrooid aan de paal. Het grootste deel van de oorspronkelijke golf loopt verder en wordt uiteindelijk door de naar verhouding oneindig zware kademuur weerkaatst. Daarbij verandert de totale golf van richting. Uit de verstrooiing van de oorspronkelijke golf aan de meerpaal kunnen natuurkundigen de plaats van de meerpaal afleiden. De enkelvoudige verstrooiing heeft een herkenbare relatie met de oorspronkelijke golf. Stel nu dat er een woud aan willekeurig geplaatste meerpalen langs de kade staat. Aan elk van de buitenste palen zal de boeggolf verstrooien zoals we dat net zagen. Het grootste gedeelte van de oorspronkelijke boeggolf beweegt verder en treft een volgende reeks palen. Al snel is het water gevuld met allemaal verstrooide golven, die met elke volgende verstrooiing lager worden en steeds verder uit de pas gaan lopen met de oorspronkelijke golf (hun fase verandert). De verstrooide golven geven heel vlug geen enkele informatie meer over de positie van de afzonderlijke meerpalen. Dit laatste noemen natuurkundigen meervoudige verstrooiing. Iets dergelijks gebeurt in 'stoffen' als mist, melk en biologische weefsels. Daarom kunnen we met gewoon licht nauwelijks onder onze huid kijken en zien we in een dichte mist geen hand voor ogen.
Meervoudige verstrooiing wegfilteren
Om toch informatie over plaats en beweging van deeltjes in ondoorzichtige stoffen te krijgen, proberen natuurkundigen de meervoudige verstrooiing weg te filteren. Enkelvoudige verstrooiing treedt alleen bij die golven op die ook na eerdere verstrooiing precies in de oorspronkelijke richting blijven bewegen. Door nu onder iets verschillende hoeken naar het verstrooide licht te kijken, kunnen de onderzoekers enkel- en meervoudige verstrooiing van elkaar onderscheiden. Deze techniek heet kruis-gecorreleerde dynamische lichtverstrooiing (CCDLS). Uit de enkelvoudige verstrooiing kan vervolgens de positie en de beweging van de verstrooiende deeltjes worden bepaald. Deze methode werkt overigens pas goed als alle golven die de stof (of in het jargon het medium) ingestuurd worden, perfect met elkaar in de pas lopen. Dat is precies dé eigenschap van laserstraling. De methode gebruikt dus een laser.
Het bijzondere van het onderzoek in Amsterdam is nu dat de natuurkundigen daar de CCDLS combineren met het gebruik van röntgenstraling. Deze straling heeft een veel kleinere golflengte dan zichtbaar licht. Daardoor wordt hij veel minder verstrooid dan zichtbaar licht en treedt meervoudige verstrooiing relatief zelfs heel weinig op. De meeste verstrooiing is dus enkelvoudig en levert de gewenste informatie over positie en beweging van de verstrooiende deeltjes.
Een beperking van röntgenstraling was nog dat die niet van één golflengte is. Dat is nu geen probleem meer. Moderne röntgenbronnen, zoals die in de grote Europese faciliteit ESRF in Grenoble, zijn zo helder dat er straling met één golflengte uitgefilterd kan worden die nog steeds helder genoeg is. Daardoor heeft die röntgenstraling laserachtige eigenschappen gekregen. Deze techniek werkt hetzelfde als gewone dynamische lichtverstrooiing en staat bekend onder de afkorting DXS.
Combinatie van technieken werkt
De onderzoekers in Amsterdam hebben als eersten de beide technieken gecombineerd. Recente experimenten die ze in Grenoble hebben uitgevoerd, tonen aan dat de combinatie goed werkt. Er kan heel goed de beweging van deeltjes in een sterk verstrooiend medium mee aangetoond worden.
Beperkte beweging deeltjes in vloeistof voor het eerst gezien
Een eerste experiment betrof de beweging van colloïdale deeltjes in een oplossing. Colloïdale oplossingen zijn zeer populair als modelsysteem in het onderzoek aan vloeistoffen die mengsels van verschillende atomen of moleculen zijn. Colloïdale deeltjes kunnen heel goed met gewenste eigenschappen gemaakt worden. Zo gebruikten de Amsterdamse onderzoekers bolletjes met een doorsnede van 0,011 micrometer, die ze met 15 tot 30 volumeprocent in een oplosmiddel deden. De afmeting van de deeltjes is zodanig dat metingen met zowel licht als röntgenstraling eenduidige resultaten opleveren, die goed met elkaar kunnen worden vergeleken. Als de hoeveelheid deeltjes onder een bepaalde hoeveelheid blijft, is het systeem vloeibaar en stroperig. De colloïdale deeltjes bewegen en diffunderen door deze vloeistof. De diffusie gaat langzamer dan men op grond van de viscositeit van de vloeistof zou verwachten. Dit was bekend voor colloïdale vloeistoffen, waar de deeltjes geen krachten op elkaar uitoefenen en die voor het oog helder zijn.
In colloïdale vloeistoffen die licht sterk verstrooien, oefenen de deeltjes krachten op elkaar uit. In deze systemen hebben de onderzoekers in Amsterdam een nieuw fenomeen waargenomen.
In een vloeistof zijn alle deeltjes in beweging. Aan de voorkant van elk deeltje ontstaat een soort boeggolf. De vloeistof wordt daar weggedrukt en stroomt in het kielzog van het deeltje weer terug. Rond elk deeltje heerst dus een snelheidsveld. De velden van alle elkaar omringende deeltjes hebben invloed op elkaar. In het Amsterdamse experiment is nu voor het eerst experimenteel aangetoond dat het snelheidsveld van elk deeltje wordt afgeschermd door de snelheidsvelden van de omringende deeltjes. De 'kooi' van deeltjes waarin het centrale deeltje zich bevindt, bepaalt de diffusie van het centrale deeltje. Dit zorgt uiteindelijk voor de lagere sedimentatiesnelheid die wordt waargenomen en tot nog toe niet begrepen was.
Breed toepasbaar
Dr. Gerard Wegdam, leider van de Amsterdamse onderzoekgroep en copromotor van Dirk Riese, verwacht dat de nu ontwikkelde combinatie van meetmethoden een heel nieuw veld van experimenteel onderzoek gaat openen. Het bestudeerde hydrodynamische gedrag bijvoorbeeld lijkt sterk op wat er in poreuze materialen gebeurt. Dit soort verschijnselen is alom aan de orde in tal van vloeistoffen die in de industrie een rol spelen of in biologische systemen belangrijk zijn. Verder is het bestuderen en maken van fotonische materialen, een belangrijke activiteit in Amsterdam, zeer gebaat bij de nieuwe onderzoekmethode en de te verwerven inzichten. Een groot voordeel van de ontwikkelde opstellingen is dat ze zeer compact zijn. De Amsterdamse onderzoekers doen hun röntgenmetingen in Grenoble. Ze nemen hun hele hebben en houden dan mee en dat is niet meer dan een paar dozen vol.
Meer informatie: dr. Gerard Wegdam, Van der Waals-Zeemanlaboratorium, Universiteit van Amsterdam, telefoon (020) 525 63 13.