Je leest:

Minigolven onder de loep

Minigolven onder de loep

Utrechtse natuurkundigen hebben microscopische golven zichtbaar gemaakt in een model-systeem. Inzicht in deze golven is van theoretisch belang, maar ook van nut voor het veld van de micro-fluïdica.

Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Utrecht hebben in een modelsysteem van het grensvlak tussen vloeistof en gas capillaire golven op dat grensvlak direct zichtbaar gemaakt. Die minuscule golven worden gedreven door de voortdurende beweging van de moleculen in de vloeistof. Dirk Aarts, Matthias Schmidt en Henk Lekkerkerker laten capillaire golven nu voor het eerst direct in actie zien. Ze publiceren hun waarnemingen in de Science van 7 mei aanstaande.

De echte golven zijn minder dan een miljoenste millimeter hoog en verplaatsen zich met grote snelheid. In het modelsysteem zijn de golven veel langzamer en meer dan duizend keer zo groot, maar ze gedragen zich nog steeds op dezelfde manier. Dat maakt het mogelijk het gedrag van die golven rechtstreeks en gedetailleerd te bestuderen. Inzicht in het gedrag van die golven is fundamenteel interessant, maar ook van praktisch belang in het zich razendsnel ontwikkelende vakgebied van de microfluidica, het gedrag van microscopisch dunne vloeistoflaagjes.

Figuur 1: Capillaire golven worden aangedreven door de thermische beweging van moleculen. Met colloïdale deeltjes kunnen golven op het grensvlak worden gevolgd. bron: FOM Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Zelfs een ogenschijnlijk vlak en strak vloeistofoppervlak is voortdurend in beweging. Moleculen bewegen kriskras door elkaar en botsen tegen elkaar. Het grensvlak is daardoor ruw en verloopt geleidelijk van de vloeistof- naar de gas-fase. Deze thermische beweging zorgt voor de kenmerkende Brownse beweging van kleine, in een oplossing zwevende deeltjes (colloïden), maar ook voor kleine golfjes op het grensvlak.

De Russische wetenschapper Mandelstam gaf in 1913 een kwantitatieve beschrijving van deze thermische golven, ook wel capillaire golven genaamd. Door middel van licht- en later ook röntgenverstrooiingstechnieken zijn deze golven vervolgens op een indirecte manier waargenomen. FOM-onderzoeker Dirk Aarts en Matthias Schmidt en Henk Lekkerkerker van de Universiteit Utrecht hebben de capillaire golven nu voor het eerst direct waargenomen met behulp van een krachtige microscoop.

Golven op grensvlak direct zien

De onderzoekers hebben handig gebruik gemaakt van de eigenschappen van een colloïdaal systeem. Dit is een vloeistof waarin deeltjes van minder dan een duizendste millimeter in doorsnede zweven. Aarts, Schmidt en Lekkerkerker wisten de vloeistof te splitsen in twee lagen: de onderste, mét colloïden, stelt een normale vloeistof voor. De bovenste laag bevatte nauwelijks colloïden en stelt de gasfase voor.

De oppervlaktespanning van het grensvlak tussen de colloïd-rijke en de colloïd-arme fase is bijna een miljoen maal kleiner dan die in moleculaire systemen, zoals het grensvlak tussen water en lucht. In moleculaire systemen hebben de capillaire golven een hoogte van minder dan een miljoenste millimeter en verplaatsen ze zich met een hoge snelheid. In het colloïdale systeem zijn de golfjes echter meer dan duizend maal zo groot en een heel stuk langzamer; zelfs zo groot en langzaam dat ze voor het eerst direct waargenomen zijn met behulp van een lichtmicroscoop (zie figuur 1).

Golven spelen rol in processen met grensvlakken

Grensvlakken zijn belangrijk in een groot aantal praktische processen. Er is in de literatuur uitgebreid gespeculeerd over de precieze rol van capillaire golven in zulke processen. De Utrechtse waarnemingen laten voor het eerst de invloed zien van de golven aan het grensvlak op het samenvloeien van druppels met een vloeistof. In de gasfase boven de vloeistof kunnen zich in de laatste stadia van fasescheiding druppels vormen. Het samenvloeien van een druppel met de vloeistof vindt plaats in drie stappen (zie figuur 2).

Eerst krimpt het gaslaagje tussen de druppel en de vloeistof; vervolgens breekt het laagje en ontstaat er een verbinding tussen de druppel en de vloeistof; tenslotte groeit die verbinding en wordt de druppel in de vloeistof uitgeknepen.

Het samenvloeien van een druppel (diameter: 16 micrometer) met een vloeistofoppervlak begint doordat twee toevallige golfjes – één op het vloeistofoppervlak en één op het druppeloppervlak – elkaar toevallig treffen. In het Utrechtse experiment is dit voor het eerst gezien. bron: FOM Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

De eerste stap is goed begrepen en volgt de wetten van de hydrodynamica. In de tweede stap blijkt nu voor het eerst duidelijk 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 is waargenomen.

Fundamenteel maar ook praktisch belang

Door de extreem lage grensvlakspanning wordt niet alleen duidelijk wat de rol is van capillaire golven in allerlei processen. Het is nu ook mogelijk om hydrodynamische theorieën te toetsen, die voorheen nauwelijks experimenteel te testen waren.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 mei 2004
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.