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: