Waarom te dunne vloeistoffilms niet meer als smeermiddel werken
Vloeistoffen die werken als smeermiddel ontlenen hun gedrag aan het feit dat ze als heel dunne film zitten opgesloten tussen twee harde oppervlakken. Als de film te dun wordt, gaat hij als het ware bevriezen, waardoor de werking als smeermiddel juist afneemt en wrijving en slijtage met ordes van grootte toenemen - wat ongewenst is. Hoe vloeistoffilms zich in dergelijke omstandigheden precies gedragen, is niet eenvoudig te achterhalen. FOM-onderzoeker Jeroen Bongaerts kan met behulp van een speciale röntgentechniek dynamische eigenschappen van de vloeistoffilm aan het licht brengen. Zo heeft hij gezien dat de beweging van deeltjes door een vloeistof (diffusie) kan vertragen, afhankelijk van de afstand tussen de oppervlakken en onder invloed van de onregelmatige aanwezigheid van elektrische lading op de oppervlakken. Dat maakt de vloeistof stroperiger. Dit soort kennis moet begrijpelijk helpen maken hoe veranderingen in de structuur en de dynamica van de vloeistof op microscopische schaal leiden tot de werking als smeermiddel zoals die in de dagelijkse praktijk te zien is. Bongaerts promoveert op zijn onderzoek op 16 april aanstaande aan de Universiteit van Amsterdam.
De oude Egytenaren wisten het al. Op de graftombe van Tehuti-Hetep, gebouwd in het jaar 1880 vóór het begin van onze jaartelling, staat een schildering van het verslepen van een reusachtig beeld, dat op een slee staat die wordt voortgetrokken door 88 arbeiders. Vóór op de slee staat iemand een vloeistof voor de glijders te gieten. Archeologen vermoeden dat dit varkensvet of iets dergelijks is. De vloeistof dient als glijmiddel. Het is een klassiek voorbeeld van een smeermiddel. Wat er precies gebeurt in een dunne laag smeermiddel is niet eenvoudig na te gaan.
Röntgengolven door vloeistoffilm geleiden
Een kleine 2,5 jaar geleden publiceerden onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit van Amsterdam een methode om met behulp van röntgenstraling de structuur van een vloeistof in een zeer nauwe spleet tussen twee 'harde' wanden te bekijken. De techniek is daardoor in principe geschikt om bijvoorbeeld na te gaan hoe een smeervloeistof tussen twee vaste oppervlakken of een vloeistofcoating op een wals in een staalfabriek zich gedraagt, hoe bloed door haarvaatjes stroomt of een trein over een natte rail loopt (zie ook Met röntgenstraling in een ultradunne spleet kijken). Eén van de onderzoekers van toen, Jeroen Bongaerts, heeft deze methode nu gebruikt om in een modelsysteem op microschaal te kijken hoe zo'n vloeistoflaagje zich precies gedraagt en hij concentreert zich daarbij op de dynamica van de vloeistof.
De essentie van de onderzoeksmethode is de te bestuderen vloeistof tussen twee vlakken platen op te sluiten en onder een heel kleine hoek röntgenstraling door de vloeistof te schijnen. Bij die kleine hoek gaat röntgenstraling niet door de platen heen naar buiten, maar wordt die aan het oppervlak van de platen weer de vloeistof ingekaatst. Daardoor fungeert de smalle ruimte tussen de platen als een soort golfgeleider. In de golfgeleider ontstaat een staande golf die door ordening in de vloeistof vervormd wordt. De uittredende golf bevat daarom informatie over die ordening. De golf wordt ook op een karakteristieke manier vervormd door de aanwezigheid van grote deeltjes in de vloeistof. Daar heeft Bongaerts listig gebruik van gemaakt. Hij heeft voor zijn onderzoek een modelsysteem gehanteerd dat bestaat uit een oplossing van colloïdale deeltjes. Zo'n systeem bootst het gedrag van een vloeistof in detail na en heeft als voordeel dat de colloïdale deeltjes zo groot zijn dat ze de röntgengolven sterk beïnvloeden. De verdeling van de deeltjes in de vloeistoffilm kan daaruit heel goed worden gereconstrueerd. De beweging van de colloïdale deeltjes tussen de platen zorgt ervoor dat de manier waarop de röntgengolven worden verstrooid ook verandert in de tijd. Door het gedrag van de golven die uit de golfgeleider treden in de tijd te analyseren verkrijgt Bongaerts informatie over de beweging van de deeltjes.
Wand beïnvloedt beweging in de vloeistoffilm
In de werkelijkheid zijn de colloïdale deeltjes in de vloeistof vaak licht elektrisch geladen en zijn wanden van oppervlakken op een onregelmatige manier elektrisch geladen. Die elektrische ladingen beïnvloeden de beweging van de deeltjes en dat blijkt af te hangen van de afstand tussen de wanden.
Meer informatie: drs. Jeroen Bongaerts, Van der Waals-Zeemanlaboratorium, Universiteit van Amsterdam, telefoon (020) 525 63 14, of bij zijn promotor, prof.dr. J.F. van der Veen, Paul Scherrer Institut, Zwitserland, telefoon +41 56 310 51 18.