Universiteit Leiden

nl en

Het raadsel van de puntige oliedruppels

Een bepaald soort oliedruppels verandert van vorm bij afkoelen: van bolvormig naar een twintigpuntige icosaëder naar een platte zeshoek. Twee verschillende theorieën konden dit verschijnsel niet helemaal verklaren, maar een Physical Review Letter door Ireth García-Aguilar en Luca Giomi lost het raadsel op.

De ontdekking gebeurde eigenlijk per ongeluk. Bulgaarse onderzoekers van de Universiteit van Sofia onderzochten kleine oliedruppeltjes. "Ze bestaan uit alkanen, en lijken wel op de emulsie-druppels in mayonaise", zegt Leidse theoretisch natuurkundige Luca Giomi, "maar dan worden ze omhuld door een bevroren laag van alkanen en oppervlakte-actieve stoffen."

Toen de Bulgaren ermee experimenteerden, beseften ze dat er iets vreemds aan de hand was. Als de temperatuur daalde, veranderde de vorm van de druppels van gewoon bolvormig naar vreemde, kristal-achtige icosaëders met geknikte randen. Bij nog lagere temperaturen veranderden ze in vierhoekige wybertjes of zeshoeken, met dunne, groeiende tentakels in de hoeken. 

Rond dezelfde tijd deed een groep aan de Bar-Ilan-Universiteit, onder leiding van Eli Sloutskin, vergelijkbare waarnemingen. Ze realiseerden zich dat kleine druppels de vormverandering sneller ondergingen in vergelijking met grote druppels.

Hexagonal Liquid Drops: N Denkov et al. Nature 1-4 (2015) doi:10.1038/nature16189

Exotisch

"Dat is heel inspirerend, exotisch, iets dat je niet zou verwachten", zegt Giomi. Normaal gesproken zijn grote elastische oppervlakken meer geneigd te buigen dan kleine. "Dat kun je nagaan door een vel papier aan een kant vast te houden: een a4'tje zal onmiddellijk onder zijn eigen gewicht buigen, maar een kleiner vel papier, bijvoorbeeld een postzegel, blijft recht. Hoe groter het vel, hoe hoger het draaimoment dat het ondergaat, hoe gemakkelijker het buigt."

De groep in Sofia bracht een verklaring naar voren waarin een speciaal dun laagje zich onder de oppervlakte-actieve laag vormt, en de scherpe randen veroorzaakt, "maar latere gedetailleerde beelden door het lab van Sloutskin lieten zo'n laag niet zien", zegt Giomi

Om de vormveranderingen uit te leggen, en ook de ongewone grootte-afhankelijkheid, namen de Leidse natuurkundigen vier ingrediënten op in hun theoretische model: oppervlaktespanning, zwaartekracht, defecten (onregelmatigheden in de stapeling van oppervlakte-actieve moleculen) en de zogeheten spontane kromming.

Vreemde tentakels

Spontane kromming is een gevolg van de vorm van de moleculen die de bevroren grenslaag vormen. Als lange, cilindervormige moleculen gestapeld worden als lucifers in een doosje, vormen ze samen een vlakke laag, maar als een van de uiteinden dikker is dan het andere, kan de resulterende laag kromtrekken.

Dit verandert de krachtenbalans. Terwijl defecten en zwaartekrachten de neiging hebben om het oppervlakte te knikken, heeft oppervlaktespanning een tegenovergestelde neiging om de ronde vorm te herstellen. Maar dit effect wordt minder sterk door de spontane kromming, waardoor kleine druppels ook facetten krijgen. 

Nog één verschijnsel vraagt wel om verklaring: de vreemde dunne tentakels die zich bij de laagste temperaturen vormen. "Maar daar hebben we ook wel ideeën over", zegt Giomi.

Dit soort onderzoek is fundamenteel en nieuwsgierigheid-gedreven, zegt Giomi, al is het gedrag van levende cellen wel een vaste inspiratiebron. "Biologische cellen hebben een buitengewoon vermogen om van vorm te veranderen onder verschillende omstandigheden."

Een van Giomi's onderzoeksgebieden is hoe kankercellen het klaarspelen om af te splitsen van de hoofdtumor, en te migreren binnen het lichaam om vervolgens dodelijke uitzaaiingen te vormen. Giomi: "Kankercellen moeten dramatische vormveranderingen ondergaan om dit te doen." Begrijpen hoe micrometer-grote voorwerpen autonoom van vorm kunnen veranderen zou wel eens cruciaal kunnen zijn om deze processen te ontcijferen.

Ireth García-Aguilar, Piermarco Fonda, Eli Sloutskin, and Luca Giomi, 'Faceting and Flattening of Emulsion Droplets: A Mechanical Model', Phys. Rev. Lett. 126, 038001 – Published 21 January 2021

PRL Synopsis: The Strange Shapes of Cooling Droplets

 

Deze website maakt gebruik van cookies.  Meer informatie.