Bijzondere verschijnselen in colloïdale systemen

 
Een vloeistof bestaat uit deeltjes die bij een bepaalde temperatuur met een bepaalde dichtheid willekeurig over de ruimte zijn verdeeld. Gaat de vloeistof over in gas, dan blijft de verdeling van de deeltjes willekeurig, maar neemt de dichtheid af. Wordt de vloeistof vast, dan neemt niet alleen de dichtheid toe, maar raken de deeltjes ook geordend in een regelmatig patroon. Er ontstaat een kristal. In een echte vloeistof (door natuurkundigen atomaire vloeistof genoemd) kan dit soort gedrag niet per deeltje afzonderlijk worden gevolgd, maar alleen als gedrag gemiddeld over alle deeltjes. Daarom hebben onderzoekers al jaren geleden gezocht naar een geschikt modelsysteem om het gedrag van een vloeistof en de deeltjes daarin beter te kunnen bestuderen.

Met colloïden gedrag van vloeistoffen doorgronden
Een oplossing van bolletjes zwevend in een oplosmiddel - en colloïdale vloeistof - blijkt een uitstekend modelsysteem dat een diepe natuurkundige analogie heeft met een echte vloeistof. Het was Albert Einstein die dit nu bijna honderd jaar geleden liet zien. Jean Perrin, die in 1926 de Nobelprijs voor de natuurkunde kreeg, gebruikte deze analogie om met zijn sedimentatie-experimenten aan colloïdale vloeistoffen voor eens en altijd het bestaan van atomen en moleculen te bewijzen. Het gedrag van de colloïdale vloeistof leidt daarom tot fundamenteel inzicht in het gedrag van een echte vloeistof. Groot voordeel is dat de colloïdale deeltjes zoveel groter en zoveel langzamer zijn dan atomen, dat ze met een speciale microscooptechniek 'live' kunnen worden gevolgd. Om te kunnen vertrouwen op de waarnemingen aan colloïdale systemen is echter ook een grondig fundamenteel inzicht nodig in het gedrag van colloïden. Daarvoor hebben natuurkundigen een systeem bedacht van zogeheten harde bollen. Dit zijn deeltjes die als biljartballen met elkaar kunnen botsen, maar verder geen invloed op elkaar hebben, niet elkaars ruimte in kunnen nemen, en hun gedrag niet door temperatuur laten beïnvloeden (zie foto 1). Ze hebben één bijzondere eigenschap: op zeer korte afstand stoten ze elkaar af. Ze zijn daardoor alleen gevoelig voor de zogeheten entropie: het streven van de natuur naar een zo groot mogelijke wanordelijke verdeling van deeltjes over de ruimte.

In het Debye Instituut van de Universiteit Utrecht, een samenwerking van natuurkundigen en scheikundigen, wordt experimenteel en theoretisch onderzoek gedaan aan tal van colloïdale systemen. Utrechtse onderzoekers hebben de afgelopen jaren technieken ontwikkeld om colloïdale systemen te maken met allerlei precies gewenste eigenschappen. Op die manier bestuderen ze het maken van kristallen met specifieke eigenschappen (bijvoorbeeld fotonische kristallen, waarmee licht kan worden gemanipuleerd) of het gedrag van mengsels van twee verschillende soorten deeltjes (shampoo is zo'n mengsel; het is een op water gebaseerde colloïdale suspensie waaraan polymeren worden toegevoegd om de shampoo visceuzer, 'dikker', te maken).

Vloeistof zwevend tussen gas
Marjolein Dijkstra, verbonden aan de groep voor onderzoek aan zachte gecondenseerde materie van het Debye Instituut, FOM-onderzoeker Matthias Schmidt (werkzaam in diezelfde groep) en Jean-Pierre Hansen, van de universiteit van Cambridge en als gasthoogleraar verbonden aan het Instituut voor Theoretische Fysica van de Utrechtse universiteit, publiceren deze week in het vooraanstaande vakblad Physical Review Letters een verrassende uitkomst van computersimulaties en theorievorming aan mengsels van colloïden en polymeren. Polymeren zijn langgerekte moleculen die zich op allerlei manieren kunnen vouwen en oprollen. De colloïden bestaan in de simulaties van de onderzoekers uit harde bollen, de polymeren uit ideaal opgerolde kluwentjes. In de mengsels kunnen de polymere kluwens vrij tussen de harde bollen door bewegen. Uit eerder onderzoek is gebleken dat zo'n mengsel zich vanzelf scheidt in een gebied met weinig colloïden en een gebied met veel colloïden. Het eerste gebied noemen de onderzoekers een gas, het tweede een vloeistof. Als de twee soorten deeltjes in totaal vrijwel vergelijkbare massa's hebben, dan blijkt er vanzelf een stabiele driedeling te kunnen ontstaan: een gebied met veel colloïden dat drijft tussen een laag met weinig colloïden erboven en eenzelfde laag eronder. Het is alsof een laagje vloeistof in een gas zweeft (zie figuur 2). In de praktijk is dit nog nooit waargenomen. "Het is mogelijk dat zo'n verdeling zich in experimenten wel eens heeft voorgedaan," vermoedt Dijkstra, "maar dan is er bij mijn weten niet over gepubliceerd."

Spontane ordening van deeltjes
In de week van 30 augustus 2004 verschijnt opnieuw een publicatie in Physical Review Letters, nu van Dijkstra alleen. Met financiële steun uit het FOM-programma voor vrouwelijke natuurkundige onderzoekers heeft zij ook simulaties uitgevoerd aan een vloeistof van harde bollen tussen twee vlakke wanden. Uit eerder onderzoek was bekend dat de bollen in de vloeistof zich spontaan ordenen als de wanden heel dicht bij elkaar zitten. Dit heet capillair bevriezen. De vraag is echter of zich ook tegen een enkele wand spontaan ordening van deeltjes voordoet en of die ordening vanuit een aanvankelijk dun laagje (een zogeheten dunne film) vervolgens ook doorgroeit naar een macroscopische (ofwel dikke) laag. Dat doorgroeien naar een dikke laag wordt 'complete wetting' genoemd. In het vakgebied van de colloïden bestaat al langere tijd verschil van mening over de vraag of alleen capillair bevriezen in het spel is of dat zich ook werkelijk 'complete wetting' kan voordoen. De computersimulaties van Dijkstra hebben nu laten zien dat het ontstaan en het groeien van de dunne kristallaag onafhankelijk is van de afstand tussen de twee wanden en dus door 'complete wetting' tot stand komt. De kristalfilm is maar een enkele boldiameters dik (zie figuur 3), maar kan volgens de analyse van Dijkstra tot veel grotere (macroscopische) dikte groeien.