Afvlakking van capillaire golven
In de microfluïdica, het gebied dat zich bezighoudt met het gebruik van vloeistoffen in bijvoorbeeld sensoren op microschaal, wordt het van belang goed te begrijpen hoe zeer dunne vloeistoflagen en hun grensvlakken zich gedragen. Op een dergelijk grensvlak bestaan altijd heel kleine golven, die spontaan ontstaan, zogeheten capillaire golven. Onderzoekers van de Stichting FOM, de Universiteit Utrecht en de Ecole Normale Supérieure in Parijs hebben nu ontdekt dat het aanleggen van een stroming die golven afvlakt. Verondersteld werd dat de stroming de golven zou versterken, zoals een sterkere wind over een wateroppervlak tot meer en grotere oppervlaktegolven leidt. De onderzoekers deden hun ontdekking in een modelsysteem waarin, net zoals bij water en waterdamp, een vloeistof en een gas samen voorkomen, maar dat als voordeel heeft dat het grensvlak tussen deze twee fasen zo ruw is dat het met een microscoop zichtbaar is. Ze publiceren hun bevindingen in de Physical Review Letters van 21 juli 2006.
Het grensvlak van twee media die in een verschillende fase verkeren - bijvoorbeeld een vloeistof met een gas erboven is door willekeurige bewegingen van de moleculen als gevolg van de temperatuur constant in beweging. Het gevolg is dat spontaan microscopisch kleine fluctuaties, zogeheten capillaire golven, ontstaan. Hoe kleiner de grensvlakspanning, hoe hoger de golven en hoe ruwer het grensvlak. Anders dan bij wind, waar een sterkere wind meer en grotere golven veroorzaakt, onderdrukt een toenemende stroming op microscopische schaal de capillaire golven. Het grensvlak wordt bij meer stroming dus juist afgevlakt.
Onderzoekers van de Stichting FOM, de Universiteit Utrecht en de Ecole Normale Supérieure in Parijs hebben dit verschijnsel voor het eerst met behulp van een speciaal gebouwde opstelling in een modelsysteem waargenomen. Dat systeem bestaat uit een mengsel van colloïden - in een oplossing zwevende deeltjes – en polymeren, die ervoor zorgen dat de colloïden elkaar een beetje aantrekken. Deze aantrekking zorgt ervoor dat een dergelijk mengsel zich vanzelf opsplitst in een fase met veel colloïden en weinig polymeren (colloïdale vloeistof) en een andere fase met veel polymeren en weinig colloïden (colloïdaal gas). Aangezien de fase met veel colloïden zwaarder is, zakt deze naar bodem van de cel en ontstaat er een horizontaal grensvlak met het colloïdale gas (zie de figuur en zie ook /live/nieuws/archief_persberichten/2004/artikel.pag?objectnumber=26543). Doordat colloïden veel groter en trager zijn dan moleculen is een dergelijk colloïdaal systeem heel gevoelig voor de inwerking van een extern veld en daar hebben de onderzoekers* gebruik van gemaakt. Ze ontwierpen een cel waarin ze een afschuifstroming heel nauwkeurig evenwijdig aan het grensvlak konden aanleggen en in standhouden. Bovendien konden ze in de cel het grensvlak ondanks de stroming voortdurend op zijn plaats houden. Dit grensvlak bekeken ze nu met een zogeheten confocale microscoop, waarmee dwarsdoorsneden door het grensvlak werden gemaakt. Dit is in de figuur te zien.
De waarnemingen leverden een verrassing op: de afschuifstroming maakt het grensvlak niet ruwer maar gladder, zoals in de figuur zichtbaar is. Op zich zou men kunnen veronderstellen dat bij stroming meer en hogere golfjes ontstaan, maar dat bleek bij deze microscopisch kleine golven niet het geval. Wanneer er geen stroming is, uit het vrij fluctueren van capillaire golven zich in een lage grensvlakspanning. In het geval van stroming wordt het traagste deel van de golven verhinderd om vrij te fluctueren. Rekenwerk leerde de onderzoekers dat hierdoor de grensvlakspanning effectief groter wordt. Dit heeft als gevolg dat de ontstane golfjes lager worden en het grensvlak zelf gladder wordt.
Dit is interessante kennis voor het opstellen van nieuwe theorieën om de hydrodynamica van grensvlakken op microscopische schaal te beschrijven. Capillaire golven en afschuifstroming spelen ook een grote rol in het samenvloeien van druppels en in microfluïdica. Daar zou dit nieuw ontdekte verschijnsel een belangrijke rol moeten spelen.
*Didi Derks, Dirk Aarts, Daniel Bonn, Henk Lekkerkerker en Arnout Imhof
Meer informatie bij Didi Derks of Arnout Imhof, Soft Condensed Matter, Universiteit Utrecht, telefoon (030) 253 24 23.