Vrije energie van een colloïdaal systeem uit foto's
De thermodynamica heeft een breed toepassingsgebied in de wetenschap en techniek: gasexpansie, faseovergangen, materiaaleigenschappen, chemische reacties, transportverschijnselen, oplossingen, en zelfs zwarte gaten. Opmerkelijk genoeg is een van de belangrijkste grootheden in de thermodynamica, de vrije energie, nog nooit direct experimenteel gemeten. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben nu, met financiële steun van FOM, een modelsysteem ontwikkeld waarin ze dit voor het eerst hebben gedaan. Hun techniek opent de weg naar het direct meten van thermodynamische grootheden in echte systemen. Ze publiceren hun resultaten in de Proceedings of the National Academy of Sciences in Washington in het nummer dat verschijnt in de week van 13 januari 2006. Het artikel gaat op 9 januari 2006 online.
De thermodynamica is één van de belangrijkste theorieën in de natuurwetenschappen. De theorie relateert energie, warmte en arbeid om macroscopische eigenschappen zoals temperatuur, druk en volumeverandering te beschrijven. De thermodynamica ontstond in de 19 e eeuw toen wetenschappers onderzochten hoe ze betere stoommachines konden maken. In die tijd werden de twee hoofdwetten van de thermodynamica geformuleerd. Opmerkelijk genoeg is de centrale grootheid van de thermodynamica, de zogenaamde vrije energie, nooit rechtstreeks experimenteel gemeten. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben dat nu, met financiële steun van FOM, voor het eerst gedaan.
Colloïden als modelsysteem
Colloïden zwevend in een oplosmiddel vormen prachtige modelsystemen voor het bestuderen van de wisselwerking tussen deeltjes. In Utrecht heeft men door de jaren een wereldwijd erkende expertise opgebouwd in het maken van colloïdale systemen die men in toenemende mate heel nauwkeurig gewenste eigenschappen kan geven. Roel Dullens, Dirk Aarts en Willem Kegel van het Van 't Hoff Laboratorium voor Fysische en Colloïdchemie in het Debye Instituut van de Universiteit Utrecht deden experimenten met een colloïdaal systeem van harde bollen dat volkomen in evenwicht verkeerde. Er waren dus geen verstorende effecten in aanwezig. De colloïden zelf bestaan uit een fluorescerende kern met een doorzichtige mantel eromheen. In een confocale microscoop zijn de kernen dan zichtbaar. De doorzichtige mantel kan een zodanige dikte gegeven worden dat de fluorescerende kernen altijd verder van elkaar gescheiden zijn dan het minimale oplossende vermogen van de microscoop. Zo zijn de kernen altijd te onderscheiden. Met confocale microscopie maken de onderzoekers vervolgens opnamen, in feite foto's, van het systeem waaruit ze de driedimensionale verdeling van de deeltjes precies kunnen reconstrueren, zie figuur 1. Dit is bij een groot aantal verschillende concentraties aan deeltjes mogelijk.
Vrije energie
De belangrijkste thermodynamische vraag is nu wat de vrije energie van een systeem is. Dit wordt bepaald door de deeltjesdichtheid, de zogeheten chemische potentiaal en de druk. De deeltjesdichtheid wordt eenvoudig gevonden door het aantal deeltjes per volume te tellen en voor harde bollen kunnen de chemische potentiaal en de druk worden gevonden door een hypothetisch deeltje in het systeem te brengen. De chemische potentiaal hangt nu af van de grootte van het volume dat beschikbaar is voor (het middelpunt van) dat extra deeltje, V 0 , ten opzichte van het totale volume van het systeem, zie figuur 2. En de druk hangt af van de verhouding tussen V 0 en A 0 , het oppervlak tussen V 0 en het volume dat is uitgesloten voor een extra deeltje, zie ook figuur 2. Vervolgens kan rechtstreeks de vrije energie worden bepaald, de belangrijkste thermodynamische grootheid. Het bijzondere is nu dat de onderzoekers aan de hand van de microscopie opnamen van het systeem, V 0 en A 0 gewoon kunnen meten. Ze bepalen essentiële thermodynamische grootheden eenvoudig aan de hand van foto's.
Nu is een systeem van harde bollen een geïdealiseerde afspiegeling van echte atomen en moleculen. De stap naar meer realistische vloeistoffen is relatief klein en de onderzoekers stellen daarom dat hun techniek de weg heeft geopend naar dit soort thermodynamisch onderzoek aan werkelijke vloeistoffen.
Voor meer informatie kan men contact opnemen met dr. Dirk Aarts, verbonden aan het Laboratoire de Physique Statistique, Ecole Normale Supérieure in Parijs (tel.: +33.1.44 32 25 03) of met dr. Roel Dullens, verbonden aan het 2. Physikalisches Institut van de Universität Stuttgart (tel.: +49.711.68 55 216).