Mysterieuze nanobel doorgeprikt?
Belletjes aan oppervlak beter begrepen
De nanobelletjes die ontstaan aan een oppervlak dat wordt
ondergedompeld in water, mogen eigenlijk niet eens bestaan. Door hun
grote interne druk zouden ze in korte tijd moeten verdwijnen. Toch
bestaan ze soms uren lang: een onbegrepen fenomeen. Prof. Detlef Lohse
van de Universiteit Twente en zijn collega prof. Michael Brenner van
Harvard lichten een tipje van de sluier op. Zij laten zien dat er een
evenwicht zou kunnen bestaan van gas dat úit het belletje met gas dat
er juist ín stroomt. Voor dit evenwicht zijn bovendien de afmetingen
van de bel te berekenen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen
eind november in Physical Review Letters.
Dát er bellen ontstaan aan een waterafstotend oppervlak dat in water
wordt ondergedompeld, is al aangetoond: het zijn bolvormige `caps'
(zie figuur) met een diameter van zo'n 100 nanometer en 10 nanometer
hoog. Waarom ze ontstaan, dat is tot nu toe echter een raadsel. Maar
ze komen wèl goed van pas: vloeistoffen stromen bijvoorbeeld soepeler
langs een oppervlak met belletjes, met een grotere snelheid of lager
energieverbruik. De eerste technieken om de belvorming te stimuleren
zijn er daarom ook al.
Evenwicht
Toch blijft het dan knagen dat het bestaansrecht van de nanobellen nog
niet verklaard is. Waarom zouden ze eigenlijk bestaan? Kleine
gasbelletjes zouden immers snel oplossen door de grote interne druk:
het gas stroomt uit de bel. In microseconden zou het afgelopen moeten
zijn met de bel, terwijl metingen al laten zien dat ze uren kunnen
bestaan. Lohse en Brenner zoeken de drijvende kracht erin dat er
weliswaar gas uit de bel stroomt, maar er tegelijk ook een instroom
is. Als die twee in evenwicht zijn, kan de bel veel langer bestaan dan
eerst aangenomen.
Volgens hun theorie vindt die instroom aan de rand van de bel plaats,
dus waar de rand van de bel het hydrofobe oppervlak raakt. Het is
bekend dat dichtbij een hydrofoob oppervlak een verhoogde concentratie
van gasmoleculen te zien is: die moleculen worden aangetrokken door
het oppervlak. Als deze moleculen nu via de rand de bel instromen
kunnen ze een evenwichtstoestand bereiken met de moleculen die úit de
bel stromen. Dit evenwicht is overigens niet stabiel: volgens de
tweede wet van de thermodynamica zou dit alleen een overgangstoestand
kunnen zijn. Dit zou impliceren dat de belletjes na uren of zelfs
dagen toch oplossen.
Een bel op een oppervlak (straal R, contacthoek th), aan de randen
stroomt gas binnen dat voor een evenwicht zorgt met de uitstroom van
gas en resulteert in een bel die lang kan blijven bestaan.
De theorie, gepresenteerd in Physical Review Letters, verklaart de
lange levensduur van de belletjes. Wel willen de onderzoekers meer
onderzoek doen naar het lange termijn gedrag van de bellen: is het
evenwicht inderdaad instabiel? Daarnaast helpt het nieuwe inzicht bij
het kunstmatig stimuleren van bellen aan het oppervlak, bijvoorbeeld
via elektrolyse.
Het artikel `Non-equilibrium mechanism for surface nanobubble
stabilization' van prof. Michael Brenner (Harvard) en prof. Detlef
Lohse (UT:MESA+/IMPACT) staat online op de site van Physical Review
Letters of is als pdf toe te sturen.
Contactpersoon voor de pers: Wiebe van der Veen, tel (053) 4894244
Laatst gewijzigd op 27-11-2008 10:13:15 door Webmaster
Universiteit Twente