Stichting FOM 14 september 2010

Deeltjesexperiment op ruimtereis

Experiment met bolvormige colloïden vertrekt met Sojoez-raket naar ruimtestation ISS. Figuur 1. Structuren vergroten Figuur 1. Structuren a - De fractal-vormige structuren die door het gebruikte systeem onder normale zwaartekrachtscondities worden gevormd. Deze structuren sedimenteren snel waardoor de vorming van macroscopische kristallen tegen wordt gegaan. b - Spikkel patroon verkregen vanuit 'near field'-verstrooiing waaruit structuurinformatie afgeleid kan worden. c - Het resulterende power spectrum welke gemiddeld over alle hoeken. d - inzicht geeft in de vorm en structuur van aggregaten. Onderzoekers van het Van der Waals-Zeemann instituut aan de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit van Milaan hebben een nieuw systeem - gebaseerd op het kritische Casimir effect - gevonden waarmee gevestigde theoriën over de bolvormige deeltjes 'coloïden' aan de praktijk onderworpen kunnen worden. De ideale plek om het experiment uit te voeren zou een locatie zijn met een gebrek aan zwaartekracht en temperatuurwisselingen. Daarom is er op 10 september een Sojoez raket vertrokken richting ruimtestation ISS met aan boord het experiment van de onderzoekers. In het experiment wordt onderzocht welke fasegedrag zwak attractieve bolvormige colloïden vertonen onder microzwaartekrachtcondities. Door te spelen met interactie potentiaal tussen de deeltjes kan meer inzicht verkregen worden in de vorming van perfecte macroscopische kristallen. Het onderzoek wordt financieel mede mogelijk gemaakt door de Stichting FOM en NWO.

Casimir effect toegelicht In het Casimir effect ontstaat er een interactie tussen twee geleidende platen in vacuüm als gevolg van fluctuaties in het elektromagnetische veld. Wanneer deze platen dicht genoeg bij elkaar komen zijn daartussen maar een beperkt aantal frequenties van het veld toegestaan waardoor er een effectieve druk ontstaat op de buitenkant van de platen. Het kritische Casimir effect is gebaseerd op dezelfde onderliggende principes, maar in plaats van fluctuaties in elektromagnetische velden wordt deze geïnduceerd door fluctuaties in de order parameter (zoals de dichtheid) in vloeistoffen als zij hun kritische punt naderen. Het kritische Casimir effect treedt onder andere op in binaire mengsels vlak bij de ontmengingstemperatuur. Colloïden in deze mengsels met een affiniteit voor één van beide componenten ondervinden een attractie door dit effect. De sterkte en de afstand van deze attractie hangt af van de grootte van concentratiefluctuaties in het mengsel. Deze fluctuaties zijn temperatuursafhankelijk en dus goed te controleren. Door hiermee te spelen kan meer inzicht worden verkregen over structuurvorming en kristallisatie.

Van theorie naar praktijk Het vormen van structuren van zwak attractieve bolvormige colloïden, zowel in evenwicht als uit evenwicht, is vooral veel onderzocht in theorie. In de literatuur zijn veel voorbeelden te vinden over het fase gedrag van dergelijke systemen. Experimenten op dit gebied zijn echter schaars. Daarom hebben prof.dr. Gerard Wegdam en dr. Peter Schall een systeem gevonden waarmee ze theorieën aan de praktijk kunnen onderwerpen.

Experiment in de ruimte Op aarde zal de kristallisatie van de gebruikte colloïden altijd beïnvloed worden door de zwaartekracht. Grote aggregaten sedimenteren voordat macroscopische kristallen kunnen vormen. Bovendien kunnen temperatuurverschillen in het oplosmiddel voor stromingen zorgen die de vorming van aggregaten zal beïnvloeden. Om deze effecten te voorkomen en pure kristallisatie door diffusie te kunnen bestuderen, worden de monsters naar het internationale ruimtestation ISS gestuurd alwaar op 14 september het experiment in werking gesteld zal worden.

Op het ISS zullen diverse mengsels bekeken worden met een nieuwe verstrooiingstechniek genaamd 'near field'-verstrooiing, ontwikkeld door de Universiteit van Milaan. Dr. Marco Potenza en dr. Matteo Alaimo kunnen met deze techniek de ontwikkeling in de structuur van gevormde aggregaten in realtime volgen. Het onderzoeksteam van de Universteit van Amsterdam bestaat verder uit prof.dr. Gerard Wegdam, dr. Sandra Veen en dr. Peter Schall. Naast het door Stefano Mazzoni van de ESA (European Space Agency) ondersteunde experiment aan boord van de ISS, zullen er ook diverse aanvullende experimenten op aarde uitgevoerd worden. Zo voert FOM-promovendus Yasser Rahmani reologiemetingen uit als onderdeel van het FOM-programma 'Jamming en Rheology'. Hij zal onder andere kijken naar glazen die ontstaan door dit systeem snel af te laten koelen.

Referentie 'Direct observation of colloidal aggregation by critical casimir forces', D. Bonn, J. Otwinowski, S. Sacanna, H. Guo, G. Wegdam, P.Schall, Physical Review Letters 103, 156101, 2009.

Contact Voor meer informatie kunt u contact opnemen met: Dr. Peter Schall, Universiteit van Amsterdam, telefoon (0)20 525 63 14.

Peter Schall werkte ook mee aan de Wetenschappelijke Scheurkalender 2010. Hierover is ook een bericht op de FOM-site geplaatst. Kijk voor meer informatie op: