Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Zeepsop en zand in de file

Een stroom rijdende auto’s kan vastlopen in een file. Net zo kunnen materialen als zand, tandpasta of scheerschuim van vloeiend gedrag overgaan in een vaste, stevige toestand. Prof.dr. Martin van Hecke kan dankzij een Vici-beurs onderzoeken hoe extreem het er in de stof aan toegaat tijdens zo’n overgang.

Wanordelijk

Stamp een hoop zand flink aan en je kunt eroverheen lopen. Maar in mul zand, zoals op het strand, zak je weg. Kortom, zand kan vast en stevig zijn, maar ook los en ‘beweeglijk’. Dit geldt niet alleen voor zand, maar ook voor veel andere ‘wanordelijke materialen’. Wanordelijk wil zeggen dat de deeltjes in deze materialen geen duidelijke rangschikking hebben. Zoals dus in zand, maar ook in bijvoorbeeld zeepsop, mayonaise of tandpasta.

Onvoorspelbaar

Die wanorde is het terrein van Martin van Hecke, hoogleraar Organisatie van de wanordelijke materie. Geen enkel lab heeft meer potten met zand, knikkers of zeepsop dan dat van hem. Hij is gefascineerd door de complexe, onvoorspelbare verschijnselen die zulke materialen vertonen, ondanks dat de natuurwetten voor het gedrag van enkele deeltjes zo simpel zijn.

Van Hecke maakt veel gebruik van computersimulaties om de krachten tussen deeltjes in stoffen, zoals hier in zeepsop, in kaart te brengen.

File

Hij heeft een Vici-beurs van 1,5 miljoen euro gekregen om te onderzoeken wat er gebeurt op het moment dat zo’n wanordelijk materiaal overgaat van zijn vloeiende naar vaste toestand. In de literatuur staat dit bekend als ‘jamming’, naar het Engelse woord voor file, traffic jam. ‘De situatie van een file is vergelijkbaar: je hebt auto’s die stromen en dan vast komen te zitten’, aldus Van Hecke.

Schokgolf

Hij vermoedt dat een stof die vlakbij de overgang van vloeiend naar vast zit erg fragiel wordt, en dus gevoelig voor verstoringen. Van Hecke: ‘Stel, ik geef een klap op een blok staal, dan gaat er een geluidsgolf door lopen. Als ik een hele harde klap geef, krijg je een schokgolf. Stel dat ik zand in zo’n fragiele toestand breng, dus losjes samenhangend, dan verwacht ik die schokgolf al meteen bij een zacht klapje. Extreme mechanica noemen we dat.’

Een systeem van zachte ballen die in steeds kleiner volume worden gepakt, raken ‘gejammed’ en het systeem loopt vast. Precies op de overgang raken de ballen elkaar net. Onder de respons van het systeem. Dichtbij de overgang is de repons onregelmatiger en extremer.

Mayonaise

Maar hoe breng je een wanordelijk materiaal in die fragiele toestand? Dat kan door ervoor te zorgen dat de vervorming van de deeltjes klein is. Van Hecke: ‘Een voorbeeld. Als je mayonaise maakt, meng je oliedruppeltjes door azijn. Bij voldoende oliedruppels duwen de druppels tegen elkaar aan en gaan ze vervormen. Het systeem raakt ‘gejamd’ en dan is het vast geworden. Maak je de mayonaise wat slapper, dan zijn de oliedruppeltjes bijna rond en kom je in het regime van die extreme mechanica.’

Groei

De toekenning van de Vici-beurs aan Van Hecke onderschrijft de groei die dit onderzoeksveld, veelal bekend onder de noemer ‘zachte materie’, in Nederland doormaakt. Hij is vanzelfsprekend erg blij met het geld. Van Hecke: ‘Het is erg fundamenteel onderzoek en het krijgen van geld hiervoor is moeilijk. Dit is de grootste beurs die ik ooit gekregen heb.’

Links

Zie ook