Vloeistoffilm bevriest door ruimtegebrek tussen oppervlakken

Een steeds dunner wordend vloeistoflaagje tussen twee plaatjes mica gaat bij een bepaalde dikte opeens over in vaste vorm. Omgekeerd verandert deze 'vaste' stof bij het dikker worden weer in vloeistof. Dit is ontdekt door onderzoekers van het Weizmann Instituut in Rehovot, Israël.

Al langere tijd is bekend dat de eigenschappen van vloeistoffen in extreem nauwe ruimten kunnen verschillen van die in 'vrije' vorm. Vloeibare smeermiddelen worden vast, wanneer ze tot ultradunne films worden samengeperst. In andere vloeistoffen kan aan de oppervlakken laagvorming optreden. Deze effecten zijn een gevolg van het feit dat de moleculen zich in zo'n nauwe ruimte in horizontale richting niet meer vrij kunnen bewegen: zij vertonen collectief gedrag.

Het door de Israëlische onderzoekers ontwikkelde instrument bestaat uit twee plaatjes mica die vlak boven elkaar in een vloeistof hangen. Het bovenste plaatje kan met een piëzo-elektrische buis worden bewogen, terwijl het onderste plaatje aan veertjes vrij kan bewegen (Nature 370, p. 634).

De onderzoekers dompelden de plaatjes in octamethylcyclotetrasiloxaan, een siliconenolie. De ringvormige moleculen van deze vloeistof hebben een diameter van 0,9 nanometer. De onderzoekers volgden de bewegingen van het onderste plaatje terwijl het bovenste er steeds dichter naar toe werd bewogen.

Tot een dikte van 7 molecuul-diameters veranderde er niets. Het onderste plaatje trilde als gevolg van de thermische ruis in de vloeistof met de eigenfrequentie van de veertjes. Werd de filmdikte echter met nog één molecuuldiameter verkleind, dan hielden de trillingen abrupt op. De vloeistoffilm hield het plaatje tegen, doordat de film zich opeens als vaste stof gedroeg. De verandering was omkeerbaar, want als de onderlinge afstand tussen de plaatjes tot 7 molecuul-diameters werd vergroot, kwamen de trillingen weer terug.

Ook de afschuiving werd gemeten. Tot een dikte van 7 molecuul-diameters kon in het laagje tussen de twee plaatjes geen schuifkracht worden gemeten, wat bevestigt dat de film zich als een vloeistof gedraagt. Bij een dikte van 6 molecuul-diameters werd er opeens wèl een kracht in de film gemeten. De vloeistof vertoonde alle kenmerken van een vaste stof. Terwijl de schuifkracht toenam, vervormde de 'vaste' vloeisof eerst elastisch en vervolgens - bij het overschrijden van een bepaalde waarde - plastisch, waarbij de twee oppervlakken langs elkaar gleden. Zo kon in de 'vaste' vloeistof het bekende stick en slip-verschijnsel worden waargenomen: het schokkerig langs elkaar bewegen van twee oppervlakken doordat die telkens even aan elkaar blijven plakken (Science 269, p. 816).

De onderzoekers leiden uit hun metingen af dat de gemiddelde viscositeit van het laagje vloeistof tijdens de overgang in één keer minstens tien miljoen maal zo groot wordt. Tijdens metingen aan cyclohexaan hebben dezelfde onderzoekers onlangs een soortgelijk resultaat gevonden. Andere onderzoekers hadden bij eerdere metingen een geleidelijke verandering van de viscositeit waargenomen, maar daarbij ging het om veranderingen die onder invloed van hoge druk tot stand werden gebracht.

'De abruptheid, omkeerbaarheid en grootte van de verandering in de vloeistoffilm wijst er op dat het om een echte fase-overgang gaat, in plaats van om een glas-overgang en suggereert dat tijdens deze overgang de gehele vloeistoffilm een geordende, vaste structuur krijgt', aldus de onderzoekers.

    • George Beekman