Bellen blazen op nanoschaal
Nanobelletjes die ontstaan aan een oppervlak onder water, plaatsen
wetenschappers voor een raadsel. Eigenlijk kunnen ze niet bestaan,
maar toch blijven ze uren intact. Ondanks dit mysterie, is het
ontstaan van de belletjes wel degelijk te sturen, aldus promovendus
Shangjiong Yang van de Universiteit Twente. De belletjes zijn dan
bijvoorbeeld te gebruiken om de stromingsweerstand van vloeistoffen te
verlagen. Yang promoveert op 9 oktober aan de faculteit Technische
Natuurwetenschappen.
Een waterafstotend materiaal dat in water is ondergedompeld, kan aan
het oppervlak nanobelletjes hebben: extreem kleine luchtbelletjes met
een doorsnede van vijftig tot tweehonderd nanometer en een dikte van
vijf tot twintig nanometer. De belletjes zijn zo klein dat ze niet
eens met een normale microscoop zijn waar te nemen en zijn daarom pas
enkele jaren geleden ontdekt.
Volgens bestaande theorieën zouden de belletjes eigenlijk niet kunnen
bestaan; de druk in de belletjes is zo groot dat het gas er binnen een
fractie van een seconde uitgedrukt zou moeten worden. Waarom de
belletjes toch urenlang intact blijven is nog onbekend.
Als je de vorming en de eigenschappen van de belletjes kunt beheersen,
komt er een scala aan toepassingsmogelijkheden in beeld. De belletjes
verlagen bijvoorbeeld de wrijvingsweerstand van stromende
vloeistoffen, waardoor ze kunnen dienen als `luchtsmering' in zeer
kleine vloeistofkanaaltjes. Dit is praktisch bij de ontwikkeling van
zogenaamde labs-on-a-chip, laboratoriumopstellingen die zijn verkleind
tot de grootte van een chip. Voordat de belletjes hier toegepast
kunnen worden, moeten we ze echter beter begrijpen en ze kunnen laten
ontstaan op de plaats waar we dat willen.
Productie van nanobelletjes
Yang toonde aan dat elektrolyse een betrouwbare methode is voor de
gecontroleerde productie van nanobelletjes. Hij ontdekte hoe je met
elektrische spanning de vorming en de grootte van de belletjes kunt
sturen. Verder onderzocht de promovendus enkele fundamentele
eigenschappen van de belletjes. Om ze te kunnen gebruiken moet je ze
immers begrijpen. Daarom bracht hij onder andere de invloed van de
temperatuur, de gasconcentratie, de ruwheid van het oppervlak en de
manier van oppervlaktebehandeling op de vorming van de belletjes in
kaart. Tijdens dit onderzoek maakte Yang gebruik van een Atomic Force
Microscope (AFM). Dit is een microscoop die met een piepklein naaldje,
op dezelfde manier als een platenspeler, een oppervlak aftast en
hoogteverschillen waarneemt. Het naaldje werd tijdens het onderzoek
niet alleen gebruikt om de contouren van de belletjes in kaart te
brengen, maar ook om de belletjes te manipuleren.
Een 3d-visualisatie van nanobelletjes aanwezig op een hydrofoob
oppervlak. De belletjes hebben een doorsnede van slechts vijftig tot
tweehonderd nanometer en een dikte van vijf tot twintig nanometer.
Universiteit Twente