Lintopdrachten overslaan
Verdergaan naar hoofdinhoud
Nieuws en Agenda
30.10.2007 | Foundations of Natural Science

Theoretische berekeningen bevestigen experimenten 

Water en olie kunnen wél mengen

Iedereen weet dat olie en water niet spontaan mengen: gewoonlijk drijft de olie bovenop het water. Utrechtse onderzoekers hebben met experimenten en theoretische berekeningen laten zien dat onder sommige omstandigheden kleine waterdruppels in olie echter níét samenvloeien, maar langdurig blijven bestaan zonder dat er een stabilisator (ook wel emulgator genoemd) toegevoegd hoeft te worden. De waterdruppels kunnen zelfs een regelmatige ordening vormen in de olie, zonder elkaar te raken.

Promovendus Jos Zwanikken en zijn begeleider René van Roij van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de Universiteit Utrecht hebben de opmerkelijke stabiliteit van water-in-olie-druppels, die eerder in experimenten is waargenomen, nu theoretisch onderbouwd. Hun berekeningen zijn 26 oktober gepubliceerd in het toonaangevende vakblad Physical Review Letters.

Theoretische onderbouwing
Zwanikken en Van Roij tonen aan dat water en olie kunnen mengen in aanwezigheid van een kleine hoeveelheid ionen in de olie. In deze omstandigheid zuigen de waterdruppels meer positieve dan negatieve lading (of andersom) weg uit de olie. De waterdruppels zijn dus geladen en daardoor stoten ze elkaar hard af. Het samenvloeien van druppels is zo onmogelijk geworden. De lading op de waterdruppels in de eerder uitgevoerde Utrechtse experimenten (zie hieronder) was afkomstig van onder andere waterstof- en bromide-ionen die in de gebruikte olie aanwezig waren. Maar in andere oliën kunnen ook andersoortige ionen voor de oplading zorgen. Het gaat hier dus om een algemeen principe.

Utrechtse experimenten
De berekeningen van Zwanikken en Van Roij vormen de theoretische onderbouwing voor de verrassende experimentele observaties die eerder dit jaar zijn gemaakt door oud-FOM-promovenda Mirjam Leunissen en haar promotor Alfons van Blaaderen, verbonden aan de Universiteit Utrecht, in samenwerking met Paul Chaikin van New York University. Deze experimenten zijn op 16 februari 2007 gepubliceerd in het vooraanstaande tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.

Controle over emulsies
Het nieuwe inzicht dat ‘gewone’, eenvoudige ionen waterdruppels in olie kunnen stabiliseren is van rechtstreeks belang voor het verder begrijpen en controleren van emulsies. Een emulsie is een mengsel van twee vloeistoffen met kleine druppeltjes van de ene vloeistof in de andere, zoals het hierboven onderzochte water-in-olie-mengsel. Emulsies worden veel gebruikt in de industrie en in allerlei alledaagse producten (bijvoorbeeld mayonaise en body lotion). Naast de stabilisatie door eenvoudige ionen, hebben de Utrechtse theoretisch en experimenteel natuurkundigen ook een ander áántrekkend ladingseffect gevonden. Dit effect kan een belangrijke rol spelen in emulsies die voor hun stabiliteit afhankelijk zijn van de aanwezigheid van minieme vaste deeltjes aan het olie-water-grensvlak (een vinaigrette met mosterd is hier een alledaags voorbeeld van). Als de vaste deeltjes namelijk geladen zijn, worden ze sterk aangetrokken door ionen van tegengestelde lading die in de waterdruppels opgezogen zijn, waardoor ze heel sterk aan het olie-water-grensvlak binden. Hierdoor ontstaan water-in-olie-druppels omringd door een dunne schil van vaste deeltjes, die zelf weer worden omringd door een zone zonder deeltjes. Opmerkelijk genoeg zijn deze sterke ladingseffecten in emulsies tot nog toe grotendeels over het hoofd gezien.

Focusgebieden
De Universiteit Utrecht bekleedt een toppositie in de wereldwijde ranking van research-universiteiten. Een van de vijftien gebieden waar de Universiteit Utrecht in excelleert is ‘Foundations of Natural Science’ waartoe het theoretisch deel van dit onderzoek behoort. Binnen dit focusgebied wordt onderzoek gedaan op het terrein van de theoretische natuurkunde, de wiskunde en de astronomie. Het experimentele deel van dit onderzoek valt binnen het focusgebied ‘Earth and Sustainability’, waarin onderzoek wordt gedaan naar nanomaterialen, klimaat, hydrologie en energie en duurzaamheid.

Bijschrift foto 1 (zie attachment)
Deze microscopieafbeeldingen, gemaakt door Mirjam Leunissen, laten waterdruppels zien ter grootte van ongeveer 1 micrometer (éénduizendste millimeter). De druppels zijn regelmatig geordend. De afstand tussen twee naburige druppels is ongeveer 15 micrometer, zoals aangegeven door het schaalstreepje. Deze zeer grote buurafstand is het gevolg van onderlinge afstoting doordat de waterdruppels een positieve netto-lading uit de olie hebben opgezogen. Zonder deze lading zouden de druppels elkaar kunnen naderen en samenvloeien, met de gebruikelijke ontmenging van olie en water tot gevolg. De olie in het linkerplaatje is van een iets ander type dan in het rechterplaatje.

Bijschrift foto 2
Bovenaanzicht van een water-in-olie-druppel. De vaste deeltjes die aanwezig zijn in de olie plakken aan de druppel tot het grensvlak vol is. De overgebleven vaste deeltjes houden zich verre van de bedekte druppel, zodat om de druppel heen een ‘lege zone’ ontstaat. De kleuren zijn veroorzaakt door toevoeging van fluorescerend materiaal.

Bijschrift foto 3
Dwarsdoorsnede van kleine water-in-olie-druppeltjes (groen) bedekt door vaste deeltjes (rood). De deeltjes, met een straal van ongeveer 1 micrometer, plakken aan de oliezijde van het water-olie-grensvlak. De kleuren zijn veroorzaakt door toevoeging van fluorescerend materiaal.
 
Afbeelding: Foto 1 PRL-artikel - hoge resolutie.jpg

Meer informatie

Peter van der Wilt, persvoorlichter Universiteit Utrecht, (030) 253 3705, p.m.vanderwilt@uu.nl.