Microscopische golven aan vloeistofoppervlak direct waargenomen

In 1892 wist de Nederlander en latere Nobelprijswinnaar J.D. van der Waals een sluitende theoretische beschrijving te geven van het grensvlak tussen een gas en een vloeistof. Uit zijn moleculaire beschrijving bleek dat de overgang van de vloeistof- naar de gasfase niet abrupt, maar continu verloopt. In 1908 realiseerde de Poolse fysicus Von Smoluchowski zich dat de thermische beweging van moleculen het grensvlak bovendien ruw maakt. Zelfs een ogenschijnlijk vlak en strak grensvlak is voortdurend in beweging. Deze thermische beweging zorgt voor de kenmerkende Brownse beweging van kleine, in een oplossing zwevende deeltjes (colloïden), maar zorgt dus ook voor de hoogtefluctuaties van een grensvlak. De Russische wetenschapper Mandelstam gaf in 1913 een kwantitatieve beschrijving van deze thermische fluctuaties, ook wel capillaire golven genaamd. Door middel van licht- en later ook röntgenverstrooiingstechnieken zijn deze golven vervolgens op een indirecte manier waargenomen. FOM-onderzoeker Dirk Aarts en Matthias Schmidt en Henk Lekkerkerker van de Universiteit Utrecht hebben de capillaire golven nu voor het eerst direct waargenomen met behulp van een krachtige microscoop.

Golven op grensvlak direct zien
De onderzoekers hebben handig gebruik gemaakt van de eigenschappen van een colloïdaal systeem. Dit is een vloeistof waarin deeltjes van minder dan een duizendste millimeter in doorsnede zweven. Wanneer aan dit systeem een polymeer wordt toegevoegd, vindt een fasescheiding plaats in een colloïd-rijke en een colloïd-arme fase, analoog aan een fasescheiding tussen een vloeistof en een gas. De oppervlaktespanning van het grensvlak tussen de colloïd-rijke en de colloïd-arme fase is bijna een miljoen maal kleiner dan die in moleculaire systemen, zoals het grensvlak tussen water en lucht. De grensvlakspanning en het dichtheidsverschil tussen vloeistof en gas houden de capillaire golven in toom; daardoor hebben die golven in moleculaire systemen een hoogte van minder dan een miljoenste millimeter en verplaatsen ze zich met een hoge snelheid. In het colloïdale systeem zijn de golfjes echter meer dan duizend maal zo groot en een heel stuk langzamer; zelfs zo groot en langzaam dat ze voor het eerst direct waargenomen zijn met behulp van een (confocale scanning laser) lichtmicroscoop (zie figuur 1). Daardoor was een gedetailleerde analyse van de golven in zowel ruimte als tijd mogelijk. Een belangrijke conclusie uit die analyse is dat het standaardmodel van capillaire golven zelfs nog op deze lengteschalen verrassend goed opgaat.

Golven spelen rol in processen met grensvlakken
Grensvlakken zijn zeer belangrijk in een groot aantal erg uiteenlopende praktische processen. Er is in de literatuur uitgebreid gespeculeerd over de precieze rol van capillaire golven in zulke processen. De Utrechtse waarnemingen laten voor het eerst de invloed zien van de golven aan het grensvlak op het samenvloeien van druppels met een vloeistof. In de gasfase boven de vloeistof kunnen zich in de laatste stadia van fasescheiding druppels vormen. Het samenvloeien van een druppel met de vloeistof vindt plaats in drie stappen (zie figuur 2). Om te beginnen wordt het gaslaagje tussen de druppel en de vloeistof dunner; vervolgens breekt het laagje en ontstaat er een verbinding tussen de druppel en de vloeistof; tenslotte groeit de verbinding in de tijd en wordt de druppel in de vloeistof uitgeknepen. De eerste stap is goed begrepen en volgt de wetten van de hydrodynamica. In de tweede stap blijkt nu voor het eerst duidelijk dat een toevallige ontmoeting tussen twee capillaire golfjes op de twee grensvlakken tot de eerste verbinding leidt. In de derde stap blijkt de grootte van de verbinding lineair met de tijd te groeien, wat bij samenvloeiing in moleculaire systemen nog nooit is waargenomen.