Onderzoek aan colloïdale halters en parelkettingen
Melk, verf, inkt, bloed en haargel zijn alledaagse voorbeelden van colloïdale suspensies. Ze bestaan uit colloïdale bolletjes met afmetingen van nanometers tot micrometers die zweven in een oplossing, bijvoorbeeld water, met daar vaak andere bestanddelen aan toegevoegd, als zoutionen of polymeren. Het oude beeld van een colloïdale suspensie is dat van een vieze chemische soep. Dit beeld is achterhaald. Tegenwoordig kunnen colloïdale bolletjes met heel precies bepaalde eigenschappen worden gemaakt, bijvoorbeeld allemaal even groot, met of zonder magnetische of fluorescerende kernen en zo meer. Met dergelijke goed gedefinieerde colloïdale deeltjes worden nieuwe slimme materialen gemaakt.
Voorbeelden zijn elektroreologische vloeistoffen als remvloeistoffen voor auto's, magnetische vloeistoffen voor fotokopieerapparaten en in de toekomst misschien fotonische bandkloofmaterialen om licht te manipuleren. Colloïdale suspensies gedragen zich in diverse opzichten als atoomsystemen, maar ze verschillen daarin wezenlijk doordat de colloïdale deeltjes 100 tot 10.000 keer zo groot zijn. Dat heeft twee grote voordelen: ze zijn met moderne detectietechnieken goed waar te nemen en ze zijn zoveel gevoeliger voor externe krachten als licht, elektrische velden, mechanische kracht, zwaartekracht en vloeistofstroming dat ze op allerlei manieren gemanipuleerd kunnen worden. Ook kunnen de effectieve wisselwerkingen tussen de deeltjes ingesteld en veranderd worden door hun omgeving te veranderen. Dit maakt deze 'superatomen' tot vruchtbare modelsystemen voor onderzoek en tot veelbelovende systemen voor praktische toepassingen. 'Supermoleculen', clusters van colloïden met de vorm van moleculen, waren tot voor kort niet mogelijk, maar daar is nu verandering in gekomen.
Onlangs is in de Soft Condensed Matter groep in Utrecht een manier ontdekt om colloïdale halters te maken en daarmee is in Utrecht een hele nieuwe klasse aan bouwstenen voor zachte gecondenseerde materie beschikbaar gekomen. Het onderzoek dat Dijkstra, Van Roij en Imhof nu kunnen gaan doen, is erop gericht om te begrijpen wat de omgevingsafhankelijke effectieve wisselwerkingen van deze bouwstenen zijn, tot welke eigenschappen van de bijbehorende suspensies deze leiden en hoe die kunnen worden beheerst en gemanipuleerd door externe velden. Dat is niet alleen wetenschappelijk interessant, maar leidt wellicht ook tot nieuwe materialen met interessante optische, visco-elastische of reologische toepassingen.
Wat synthese betreft denken de onderzoekers aan halters (twee bollen aan elkaar zoals het stikstofmolecuul N2 of het koolmonoxidemolecuul CO) en 'parelkettingen' van aan elkaar vast zittende bollen (zoals polymeren die bestaan uit een lange keten van monomeren). Imhof is een van de eersten (en in sommige opzichten de allereerste) die deze 'supermoleculen' kan synthetiseren en er aan kan meten. Dijkstra is een simulator van 'complexe vloeistoffen' uit de school van Daan Frenkel, en de expertise van Van Roij ligt in de colloïdale vloeibare kristallen en het uitrekenen van effectieve wisselwerkingen.
In het onderzoek willen de onderzoekers met behulp van observaties, simulaties en theorie gaan kijken wat de eigenschappen zijn van suspensies van zulke colloïdale moleculen, bijvoorbeeld hoe ze met elkaar wisselwerken (dat hangt af van de zoutconcentratie, de pH, het oplosmiddel, de temperatuur etc.). Ze zijn geïnteresseerd in het fasegedrag (gas, vloeistof, kristallijn, vloeibaar kristallijn, glas, ...) van de systemen, en ze willen weten hoe de systemen zich gedragen in externe velden (bijvoorbeeld elektrisch, zwaartekracht, externe wanden, in stromingen). Tenslotte zullen de onderzoekers ook naar mogelijke toepassingen kijken.
Meer informatie bij dr. René van Roij, www.colloid.nl.