Extreem lage oppervlaktespanning in suspensies van colloïdale schijfjes
Onderzoekers van de Universiteit Utrecht (gesubsidieerd door NWO Chemische Wetenschappen en de Stichting FOM) hebben, samen met collega’s uit Eindhoven, Düsseldorf, Mainz en Bristol, laten zien dat de oppervlaktespanning in een suspensie van colloïdale schijfjes extreem laag is. Zij onderzochten grensvlakken tussen een wanordelijke en een vloeibaar-kristallijne toestand. De oppervlaktespanning is hier wel 25 miljoen maal kleiner dan die van het grensvlak tussen water en lucht. Deze extreem lage oppervlaktespanning biedt nieuwe mogelijkheden om samenvloeiende en opbrekende druppels, de vloeistofmeniscus aan een glaswand en de golven op het grensvlak te onderzoeken. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in Physical Review Letters op 25 augustus 2006.
Het Schrijverke
Wie Guido Gezelle’s gedicht Het Schrijverke kent of wel ooit naar de waterspiegel van een vijver heeft gestaard, weet dat sommige insecten kunnen staan en lopen op water. Het insect duwt namelijk door de zwaartekracht het grensvlak tussen lucht en water onder zich naar beneden (zie figuur 1). Het grensvlak vervormt dan enigszins en duwt als een gespannen elastiek terug. Het gemak waarmee dit gaat wordt gekarakteriseerd door de zogenaamde oppervlaktespanning. Hoe lager deze is des te eenvoudiger is het grensvlak vervormbaar. De grootte van de oppervlaktespanning bepaalt dus onder andere de vorm van een druppel, de snelheid waarmee druppels samenvloeien, de hoogte van de golven op het grensvlak, of de vorm van een vloeistofmeniscus bij een glaswand.
Extreem lage oppervlaktespanning
Colloïden zijn minuscule deeltjes met afmetingen zo'n duizend keer groter dan afzonderlijke atomen. Natuurkundigen gebruiken colloïdale suspensies, waarin deze deeltjes rondzweven in een oplosmiddel, als modelsysteem voor de bestudering van faseovergangen in materie zoals smelten en bevriezen. Het was al langer bekend, mede dankzij Utrechts werk, dat schijfvormige colloïdale deeltjes in een geschikt oplosmiddel spontaan kunnen ontmengen in twee toestanden (zie figuur 2). De ene toestand noemt men vloeibaar kristallijn; in deze toestand wijzen alle schijfjes steeds in dezelfde richting. De andere toestand is een wanordelijke toestand. In deze zogenaamde isotrope toestand tollen de colloïden kriskras in het rond.
Onderzoekers David van der Beek en Henk Lekkerkerker van de Universiteit Utrecht zijn er nu voor het eerst in geslaagd om de oppervlaktespanning te bepalen van het grensvlak tussen deze twee toestanden. Zij experimenteerden met zogenaamde schijfjes van gibbsiet, een mineraal van alumiumhydroxide, met een diameter van 240 nanometer en een dikte van 18 nanometer in tolueen. Verrassend genoeg vonden zij een extreem lage waarde voor de oppervlaktespanning. Deze is 25 miljoen maal kleiner dan die van het grensvlak tussen water en lucht, waarop Gezelle’s schrijverke kan lopen.
Meting en theorie
Ondanks de lage waarde van de oppervlaktespanning blijkt deze zeer goed overeen te komen met theoretische analyses die zijn uitgevoerd door René van Roij (UU/FOM), Paul van der Schoot (Eindhoven), Henrik Reich (Düsseldorf), en Matthias Schmidt (Düsseldorf/Bristol), en ook met die van de computersimulaties van Marjolein Dijkstra (UU), Richard Vink (Düsseldorf), en Tanja Schilling (Mainz). En hoewel er dus geen insect zal kunnen staan of lopen op dit extreem slappe grensvlak, biedt de slapte wel unieke nieuwe mogelijkheden voor verder onderzoek: de gemeten en berekende grensvlakspanning is een belangrijke eerste stap in de bestudering van interessante fenomenen zoals het opbreken en samenvloeien van druppels of van capillaire golven aan het oppervlak van zogenaamde 'complex fluids'.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met dr. René van Roij, Universiteit Utrecht, telefoon: (030) 253 75 79.