Te klein voor Archimedes

Scheikundigen van de Universiteit Utrecht en de Stichting FOM ontdekten met een nieuwe beeldvormingstechniek dat minuscule deeltjes aan het oppervlak van een vloeistof niet meer onderhevig zijn aan zwaartekracht. De resultaten werden op 3 september gepubliceerd in het vakblad Physical Review Letters.

‘Blijft een object wel of niet drijven op een vloeistof? Dat is de vraag die wij hebben bestudeerd voor minuscule vaste deeltjes van enkele nanometers’, vertelt dr. Ben Erné. Erné is de copromotor van promovendus Jos van Rijssel, de eerste auteur van het artikel. ‘Wij hebben die minuscule deeltjes als eerste in drie dimensies in beeld gebracht aan het oppervlak van een vloeistof.’

Ontwijken van Archimedes

‘Het drijven van grote objecten wordt verklaard door de wet van Archimedes’, legt Erné uit. ‘Een stuk hout blijft drijven. Een baksteen zinkt. Sommige kleine objecten van enkele millimeters lijken de wet van Archimedes te breken: een bekend experiment voor kinderen bijvoorbeeld is om een punaise of een paperclip zorgvuldig neer te leggen op water. Het blijft drijven ondanks Archimedes maar dankzij de oppervlaktespanning van water: het wateroppervlak wordt uitgerekt, waardoor een kracht ontstaat die tegenovergesteld is aan de zwaartekracht.’

Moleculaire wisselwerking

‘Voor objecten die nog een miljoen keer kleiner zijn, enkele nanometers, doet de zwaartekracht er echter niet meer toe’, vervolgt Erné. ‘Het zijn nu de moleculaire wisselwerkingen tussen object, vloeistof en lucht die bepalen of het object vastplakt aan het oppervlak van de vloeistof. Door onze microscopische beelden te analyseren konden we precies berekenen hoe sterk de vaste deeltjes adsorberen aan het vloeistof/lucht grensvlak.’

Quantum dots

‘Deze studie is relevant voor het onderzoek naar quantum dots’, vertelt Erné. Dit zijn minuscule halfgeleiderkristallen met kwantummechanische eigenschappen. Onder UV-licht geven ze een kleur licht die afhankelijk is van de grootte van het bolletje. ‘Aan het oppervlak van een vloeistof gaan die bolletjes vanzelf in een mooi raster liggen’ legt Erné uit. ‘We kunnen ze dan, als het ware, uit de vloeibare fase scheppen zodat het voor andere toepassingen gebruikt kan worden. Het is nu voor het eerst gelukt om de deeltjes direct aan het vloeistofoppervlak in drie dimensies in beeld brengen.’

Stabiliteit van emulsies

Het onderzoek van Erné en Van Rijssel draagt tevens bij aan het begrip van de werking van colloïden in voeding. Emulsies, zoals melk of mayonaise, zijn colloïdale mengsels waarbij twee niet mengbare stoffen toch bij elkaar zitten. ‘Adsorptie van deeltjes aan vloeibare grensvlakken is ook bij voeding van belang, want het beïnvloedt de stabiliteit van emulsies. En bij wasmiddelen zorgen geadsorbeerde moleculen er voor dat het oppervlak van vetdeeltjes waterminnend wordt’, aldus Erné.

Dit onderzoek is medegefinancierd door stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).

Meer informatie

• Dr. Ben Erné, Debye Institute for NanoMaterials Science, B.H.Erne@uu.nl, 030-2532934
• De publicatie ‘Spatial Distribution of Nanocrystals Imaged at the Liquid-Air Interface’ in Physical Review Letters
• Voor overige vragen: Tom de Kievith, persvoorlichter Faculteit Bètawetenschappen, T.deKievith@uu.nl, 06-13661438