Met röntgenstraling in een ultradunne spleet kijken

Enkele jaren geleden ontdekten toenmalige leden van de Amsterdamse onderzoekersgroep dat in een druppel vloeistof die op een kristal ligt ordening ontstaat. Vlak bij het kristaloppervlak gaan de atomen in de vloeistof zich schikken naar de buitenste atomen in dat kristal. Die ordening was maar een paar atoomlagen dik. Elders in de vloeistof bleven de atomen wanordelijk gerangschikt. De ordening werd met behulp van röntgenstraling ontdekt. Bij een volkomen wanordelijke verdeling van deeltjes komt een röntgengolf precies hetzelfde uit de vloeistof als hij er ingaat. Wanneer de deeltjes geordend liggen, verandert de golf.

Dit resultaat leidde tot de vraag hoe vloeistoffen zich gedragen in openingen van de afmetingen van moleculen tussen twee harde wanden. Als de structuur van de vloeistof geordend wordt, met andere woorden als de vloeistof op een vaste stof gaat lijken, veranderen de mechanische eigenschappen van die vloeistof.

Een golfgeleider voor röntgenstraling
Michel Zwanenburg, Jeroen Bongaerts en Friso van der Veen hebben nu een methode bedacht om met röntgenstraling naar een vloeistof in een zeer nauwe spleet te kijken. Voor de vloeistof gebruiken ze als modelsysteem een colloïdale oplossing. Dat heeft als voordelen dat de deeltjes groter zijn dan moleculen, maar zich wel vergelijkbaar gedragen, en dat alle deeltjes een gelijke, goed bekende afmeting hebben. Dat maakt het begrijpen van meetgegevens gemakkelijker.
Een zeer nauwe opening werkt als een golfgeleider. Je stuurt er onder een heel kleine hoek (gewoonlijk kleiner dan 0,1 graad) straling in, die aan een van de wanden weerkaatst. Dat gebeurt niet voor het hele golffront tegelijk, vanwege de invalshoek. Het al weerkaatste deel gaat interfereren met het nog inkomende deel. Er ontstaat dan in de spleet een staande golf die zich voortplant. Door de zeer kleine invalshoek krijgt de golf tussen de wanden in een periode tussen 20 nanometer en micrometers, veel groter dan de golflengte van de röntgenstraling, die circa 0,1 nanometer bedraagt.
Is de vloeistof ongeordend, dan verplaatst de golf zich ongewijzigd en treedt aan de andere kant van de spleet onveranderd weer uit. Is er ordening in de vloeistof, dan vervormt de golf. Een deel van de uittredende straling kan bovendien opnieuw weerkaatsen aan een van de wanden. Dat alles leidt na uittreden tot een interferentiepatroon (een zogenaamd Fraunhofer diffractiepatroon). Dit wordt opgenomen met een CCD-camera en geanalyseerd.

Essentieel is nu dat zich in de spleet niet elke willekeurige staande golf kan vormen. Alleen wanneer de spleet een heel aantal keren de halve periode van de staande golf hoog is, kunnen staande golven ontstaan. Zo'n passende staande golf heet een 'mode' van de golfgeleider. Afhankelijk van de structuur in de vloeistof kunnen sommige 'modes' zich beter voortplanten dan andere. Dat betekent dat zich na uittreden zeer bepaalde patronen in de interferentie zullen ontwikkelen. Daaruit kan dan eventuele ordening en de omvang daarvan in de vloeistof worden afgeleid. Dit blijkt goed te werken. Het grote voordeel van de methode is dat de inkomende straling alleen wordt verstrooid door de vloeistof die wordt bekeken. Daardoor is er relatief weinig achtergrondverstrooiing van de wanden. Bij andere technieken, waarbij de röntgenstraling ook door het wandmateriaal gaat, is verstrooiing door de vloeistof lastig te onderscheiden van verstrooiing door de wand.

Technisch hoogstandje
De ontwikkeling van de meetopstelling was een behoorlijke tour de force. De onderzoekers hebben een opstelling gemaakt waarin ze mechanisch twee zeer vlakke oppervlakken tot op 50 nanometer van elkaar kunnen instellen. In de opstelling zijn die oppervlakken slechts enkele millimeters lang. De afstand waarmee ze ten opzichte van elkaar kunnen worden ingesteld is naar verhouding even precies alsof je twee voetbalvelden volkomen evenwijdig op 1 millimeter afstand van elkaar kan positioneren. Tussen de oppervlakken brengen de onderzoekers de modelvloeistof aan. Die bestaat uit glazen bolletjes van ongeveer 110 nanometer in doorsnede, in een volumeoplossing van 10% in dimethylformamide. In de nu verrichte experimenten hebben de onderzoekers een spleetopening gebruikt van 655 nanometer hoogte. Het uittredende interferentiepatroon werd gemeten met een CCD-camera; die legt de intensiteit van het patroon afhankelijk van de plaats vast. De röntgenexperimenten zijn uitgevoerd bij de Europese faciliteit ESRF in Grenoble. Daar gaan de onderzoekers dan met hun hele hebben en houden een dag of tien heen.

Lagen zichtbaar
Uit de metingen bleek dat zich in de vloeistof zes lagen van deeltjes vormden. Zes van die lagen boven op elkaar passen niet, zes lagen van deeltjes als gestapelde eieren in een doos zouden ruimte overhouden. De experimenten blijken het best te worden verklaard door dicht bij de wand een relatief dichte stapeling en in het midden een lossere. Omdat de oplossing met 10 volumeprocent colloïden niet de hele ruimte in een redelijk dichte stapeling kan vullen, blijft er nog wat speelruimte over. De structuur is over de lengte van de spleet niet gelijkvormig; er vallen gaten in. Ook dat verraadt zich in het interferentiepatroon. Het is voor het eerst dat dit soort ordening werkelijk zichtbaar kan worden gemaakt. Het is een heel nieuwe manier om naar de natuurkunde van vloeistoffen te kijken.

Meer informatie bij dr. Gerard Wegdam, telefoon (020) 525 63 13, e-mail wegdam@phys.uva.nl, drs. Michel Zwanenburg, telefoon (020) 525 63 29, e-mail zwanenburg@phys.uva.nl (vaker bereikbaar in Zwitserland op telefoon 00-41-56 310 51 33, e-mail michel.zwanenburg@psi.ch), drs. Jeroen Bongaerts, telefoon (020) 525 63 29, e-mail bongaert@science.uva.nl of prof.dr. Friso van der Veen, telefoon (in Zwitserland) 00-41-56 310 51 18, e-mail friso.vanderveen@psi.ch.