Druppelsgewijs wijzer: vloeistofnucleatie in beeld
Die vervelende regendruppels die voor een nat pak zorgen, ontstaan ergens in de lucht uit wolken van waterdamp. Het proces nucleatie beschrijft de manier hoe dit gebeurt. Edgar Blokhuis van het Leids Instituut voor Chemie ontwikkelde een theorie om dit overgangsproces nauwkeuriger te beschrijven. Scheikundigen van de Universiteit van Amsterdam hebben deze theorie nu met experimenten bevestigd. Op 14 december is het onderzoek gepubliceerd in Physical Review Letters.
Te klein voor de microscoop
Blokhuis had niet gedacht dat zijn theorie al zo snel experimenteel getest kon worden. ‘De moleculen die ik beschrijf, zijn namelijk te klein om met de microscoop te bestuderen’, vertelt hij. De Amsterdamse onderzoeksgroep van Peter Schall heeft echter gekeken naar colloïdale deeltjes. Met een diameter van enkele nanometers tot micrometers zijn deze vele malen groter dan moleculen. Hoewel ze nog steeds niet met het blote oog zichtbaar zijn, kun je colloïdale deeltjes wel bestuderen met de microscoop. Op die manier konden de onderzoekers het nucleatieproces goed volgen. De resultaten bleken verrassend goed overeen te komen met eerdere berekeningen van Blokhuis.
Verfijning van de theorie
Met de resultaten kunnen de onderzoekers de klassieke nucleatietheorie verfijnen. Stoffen komen voor in drie verschillende fasen: vast, vloeibaar en gas. Tijdens nucleatie ontstaat een nieuwe fase uit de oude. Dit begint bij de vorming van een kleine kern, ook wel nucleus genoemd. Denk bijvoorbeeld aan de vorming van wolken wanneer kleine druppeltjes water (vloeistof) ontstaan vanuit de waterdamp (gas) in de lucht. Je kunt dit proces abrupt op gang brengen door een derde fase toe te voegen. Denk aan de cola-uitbarsting die ontstaat wanneer je een Mentos-snoepje in de fles doet en er in één keer veel koolstofdioxide-gas ontstaat. Als nucleatie plaatsvindt zonder de toevoeging van andere stoffen, kan het echter een stuk langer duren. Hoewel onderzoekers deze nucleatietijd experimenteel nauwkeurig kunnen bepalen, blijkt met de huidige klassieke theorie een theoretische onderbouwing problematisch.
Oppervlaktespanning
Volgens Blokhuis komt dit doordat de klassieke theorie geen rekening houdt met het feit dat de oppervlaktespanning van de nucleus afhankelijk is van de kromming van het oppervlak. Blokhuis: ‘De vorming van een druppel hangt onder andere af van de oppervlaktespanning van de druppel in wording. Is de gevormde nucleus te klein, dan neemt deze af in grootte onder de invloed van de oppervlaktespanning, zoals een opblaasballon krimpt wanneer de lucht ontsnapt. Is de nucleus echter groter dan een bepaalde kritieke grootte, dan groeit de nucleus en wordt deze zichtbaar voor het blote oog.’
Kromming
Blokhuis vermoedde dat de kromming van het druppeltje deze oppervlaktespanning beïnvloedt. Daarom moet deze kromming dus meegenomen worden in berekeningen. Hij vergelijkt twee extremen: ‘Je kunt de oppervlaktespanning van een klein druppeltje niet op dezelfde manier berekenen als die van een plat vloeistofoppervlak. Een plat oppervlak heeft namelijk geen kromming, oftewel: de straal is oneindig, terwijl een druppeltje wel een kromming heeft.’ De oppervlaktespanning is afhankelijk van de straal, en dus verschilt de oppervlaktespanning van een plat oppervlak met die van een druppeltje. Het verschil wordt groter naarmate het druppeltje kleiner is en verdwijnt als het druppeltje oneindig groot is.
Voedsel en cellen
‘Het bewijs is een belangrijke stap in de realisatie dat we de krommingsafhankelijkheid van de oppervlaktespanning moeten meenemen om de experimenteel gevonden nucleatietijden eindelijk beter te verklaren’, aldus Blokhuis. Samen met collega’s breidt hij de theorie nu uit naar systemen waarin moleculen zijn geadsorbeerd aan het oppervlak, zoals zeepmoleculen en lipiden. Zeepmoleculen gaan aan het oppervlak van vuil en water zitten en trekken het vuil los het water in. Ze worden veel gebruikt in de voedsel- en cosmetica-industrie. Lipiden zijn de bouwstenen van membranen, die de cel beschermen tegen de buitenwereld. ‘Samen met Noorse wetenschappers hebben we eerder dit jaar een doorbraak bewerkstelligt en we zijn nu bezig alle consequenties daarvan voor experimentele systemen aan het doorrekenen.’ Een eerste publicatie is eerder dit jaar al gekozen als "Editor's Choice" in The Journal of Chemical Physics.
Lees hier het artikel van de UvA: Nucleation of liquids visualised
Lees hier de volledige publicatie: V. D. Nguyen, F. C. Schoemaker, E. M. Blokhuis, & P. Schall, 2018. Measurement of the curvature-dependent surface tension in nucleating colloidal liquids. Phys. Rev. Lett. 121:24
Het ontstaan van nuclei gefilmd door de groep van Peter Schall (UvA)
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website of