Platte nanobellen roepen nog meer vragen op
De fysica van luchtbellen op macroschaal kent weinig geheimen meer. Kleinere bellen op nanometerschaal gedragen zich echter totaal anders, ze zijn bijvoorbeeld plat. FOM-promovendus Joost Weijs onderzocht de fysische processen die hieraan ten grondslag liggen aan de Universiteit Twente. Het onderzoek beantwoordde de vraag waarom de nanobellen plat zijn, maar roept ook weer nieuwe vragen op. De resultaten stonden eind vorige week in het prestigieuze tijschrift Physical Review Letters.
Eén van de grote onopgeloste problemen in de vloeistoffysica zijn oppervlakte nanobellen. Deze nanobellen zijn luchtbellen van enkele tientallen nanometers hoog die met atomaire krachtmicroscopie (AFM) gevonden zijn op verschillende materialen in contact met water. Op het eerste gezicht zien nanobellen er, afgezien van de grootte, net zo uit als 'normale' (macroscopische) bellen op een oppervlak in contact met vloeistoffen. Toch gedragen nanobellen zich fundamenteel anders dan de macroscopische bellen. Zo is de druk van het gas in de bellen door de sterke kromming van het gas-vloeistof oppervlak extreem hoog (enkele tientallen keer de atmosferische druk) waardoor het gas binnen enkele microseconden zou moeten oplossen in de vloeistof. Maar dit gebeurt niet, sterker nog, in experimenten vindt men nanobellen die meerdere dagen overleven.
De materiaaleigenschappen van het gas, de vloeistof en het substraat bepalen de contacthoek bij normale bellen. Dit betekent dat deze contacthoek onafhankelijk is van de grootte van de bellen. Toch ziet men dat nanobellen altijd veel platter zijn dan macroscopische bellen.
Het onderzoek
Met Molecular Dynamics (MD) simulaties simuleerden de onderzoekers de bewegingen van losse atomen. Op deze manier kunnen zij in detail bekijken wat er gebeurt als zich een nanobel vormt op een oppervlak. Eén van de bevindingen is dat nanobellen zich spontaan vormen wanneer de gasconcentratie in de vloeistof vele malen hoger is dan de verzadigingsconcentratie. Door deze oververzadiging vormt zich een bel die soms richting het substraat beweegt en zich dan daaraan hecht.
Verder zagen de onderzoekers dat er een gas-adsorbaat ontstaat tussen het substraat en de vloeistof. Hierdoor worden de bellen zichtbaar platter, wat ook kwantitatief te verklaren is door de veranderde interactie tussen de bel en de wand. Dit beantwoordt de vraag waarom nanobellen altijd platter zijn dan macroscopische bellen.
De gesimuleerde nanobellen zijn niet zo stabiel als de echte nanobellen: ze lossen op binnen de verwachte korte tijd (microseconden). Ondanks dat in deze simulaties het fysische mechanisme achter de nanobellen dus niet te achterhalen bleek, werd wel duidelijk dat deeltjes zich op een niet-triviale manier door het beloppervlak bewegen. Op sommige plaatsen stroomt het gas de bel uit (zoals verwacht) maar vlakbij het substraat is ook duidelijk een instroom van gas te meten, die te klein is om de bel te stabiliseren. Verder onderzoek moet uitwijzen of deze instroom de bel onder specifieke omstandigheden kan stabiliseren.
Meer informatie
Referentie: DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.104501
Contact: Joost Weijs