Achtergrondinformatie onderzoek Dirk Aarts

Grensvlakken op macro- en microniveau
Grensvlakken, ofwel oppervlakken, zijn overal aanwezig en spelen een belangrijke rol op grote en kleine schaal. Ieder oppervlak heeft een bepaalde spanning, die men oppervlakte- of grensvlakspanning noemt. Deze grens­vlakspanning is microscopisch gezien het gevolg van krachten tussen moleculen, maar uit zich macroscopisch op vele manieren. Door de grensvlak­spanning kunnen sommige insecten op water lopen, zijn druppels rond en staat het wateroppervlak gekromd aan een glaswand.

In zijn proefschrift heeft Dirk Aarts de relatie onderzocht tussen de interacties op microscopische schaal en de bijbehorende verschijnselen op macrosco­pische schaal. Hij bootste hiervoor het grensvlak tussen een gas en een vloei­stof na met een mengsel van polymeren en kleine deeltjes, ook wel colloïden genoemd, in een oplosmiddel. Als de concentraties van de poly­meren en de colloïden groot genoeg zijn, scheidt het mengsel zich in twee fasen: een fase met veel polymeren en weinig colloïden, en een fase met weinig polymeren en veel colloïden. Deze colloïd-rijke fase lijkt in zekere zin op een vloeistof, terwijl de colloïd-arme fase op een gas lijkt. Het bijzondere aan zulke systemen is dat ze een zeer lage grensvlakspanning hebben.

Aarts heeft de bijzondere mogelijkheden die deze verschillende mengsels van colloïden en polymeren met zeer lage grensvlakspanning hebben bestudeerd in theorie en in praktijk. Op basis van metingen aan de grensvlakspanning en aan de randhoek die het mengsel van gas en vloeistof maakt met een harde wand, ook wel bevochtiging genoemd, heeft Aarts een nieuw theoretisch model ontwikkeld. Hiermee is het gedrag van de polymeer-colloïdmodel­systemen beter te begrijpen en te voorspellen. Daarnaast heeft Aarts een grondige studie gedaan naar de rol van thermische capillaire golven in dynamische processen van druppels.

Dynamische ruwheid
Het is al lang bekend dat de temperatuur, die de colloïden en polymeren in beweging houdt, ook het grensvlak laat bewegen. De grensvlakspanning gaat deze 'natuurlijke' beweging, ofwel dynamische ruwheid, van het grensvlak tegen. Normaal gesproken is de grensvlakspannning zo hoog dat de beweging van het grensvlak te klein is om te kunnen waarnemen met een microscoop. Omdat Aarts een systeem met zeer lage grensvlakspanning gebruikte, was hij in staat de beweging van het grensvlak door temperatuur direct te zien en daarmee de dynamische ruwheid.

De dynamische ruwheid wordt opgebouwd uit zogenaamde capillaire golven, die een cruciale rol spelen in moderne theorieën van grensvlakken. De waarnemingen van Aarts laten voor het eerst de invloed zien van deze golven aan het grensvlak op het samenvloeien van druppels met een vloeistof. Het samenvloeien van een druppel met de vloeistof vindt plaats in drie stappen (zie figuur 2). Om te beginnen wordt het gaslaagje tussen de druppel en de vloeistof dunner; vervolgens breekt het laagje en ontstaat er een verbinding tussen de druppel en de vloeistof; tenslotte groeit de verbinding in de tijd en wordt de druppel in de vloeistof uitgeknepen. De eerste stap is vrij goed begrepen en volgt de wetten van de hydrodynamica. In de tweede stap is nu voor het eerst duidelijk gebleken dat een toevallige ontmoeting tussen twee capillaire golfjes op de twee grensvlakken tot de eerste verbinding leidt. In de derde stap blijkt de grootte van de verbinding lineair met de tijd te groeien, wat bij samenvloeiing in moleculaire systemen nog nooit was waargenomen.

Nieuwe mogelijkheden
De waarnemingen uit figuur 2 illustreren meteen de mogelijkheden die de combinatie van deze techniek en dit nieuwe systeem biedt. Door de extreem lage grensvlakspanning wordt niet alleen duidelijk wat de rol is van capillaire golven in allerlei samenvloeiingsgebeurtenissen, maar is het ook mogelijk om hydrodynamische theorieën op extreem kleine tijd- en lengteschaal te toetsen, die voorheen nauwelijks experimenteel verifieerbaar waren. Daarvan heeft Aarts nog een voorbeeld onderzocht, het opbreken van druppels. Dit is in zekere zin het tegenovergestelde van bovenstaand proces. Hierin is te zien dat wanneer de grensvlakspanning laag genoeg is, het opbreken zich anders manifesteert dan het samenvloeien, juist dankzij de dynamische ruwheid.

Gezien de zich razendsnel ontwikkelende microfluïdica heeft de combinatie van techniek en colloïdaal systeem die door de Utrechtse onderzoekers is ontwikkeld, zowel fundamenteel als praktisch nut. Bijvoorbeeld, bij het opbreken van druppels waarbij de thermische fluctuaties belangrijk zijn wordt het aantal satellietdruppeltjes verminderd en juiste deze druppeltjes bepalen voor een belangrijk deel de printerresolutie in inkjet printers.

Meer informatie over het onderzoek is te verkrijgen bij dr. Dirk Aarts, telefoon  +44 87 01 20 08  03 of bij prof.dr. Henk Lekkerkerker, Universiteit Utrecht, telefoon: (030) 253 23 91.