Kleien in de computer

Klei-mineralen worden in de meest uiteenlopende omstandigheden toegepast. Zo verrichten ze goede diensten bij de gecontroleerde afgifte van medicijnen en landbouw-chemicaliën, bij de zuivering van afvalwater, de opslag van radioactief afval en in kosmetisch produkten. Voor de grote oliemaatschappijen leveren ze echter juist weer grote hoofdbrekens. Bij de winning van aardolie worden van oudsher boorvloeistoffen toegepast. Deze zorgen niet alleen voor de koeling en smering van de boor, maar ook voor het transport van gruis omhoog het boorgat uit. Ook bieden ze weerstand aan de enorme druk die diep in een boorgat heerst.

Vroeger werden op uitgebreide schaal boorvloeistoffen op oliebasis toegepast, maar uit milieuoverwegingen moeten deze tegenwoordig worden vervangen door vloeistoffen op waterbasis. En daardoor ontstaan nu precies de problemen. Klei-achtige gesteenten kunnen dat water namelijk heel gemakkelijk opnemen, waardoor ze opzwellen. De sterkte neemt af, hetgeen op den duur kan leiden tot het instorten van een boorput. Dichter bij huis hebben velen in Nederland de gevolgen van het zwelgedrag van klei aan den lijve ondervonden. Onze rivierdijken bestaan immers voor een groot gedeelte uit klei, en ze namen daardoor tijdens de voortdurend hoge waterstanden in de winters van 1994 en 1995 zoveel water op, dat ze dreigden in te storten. Het is dus zeker zaak om beter inzicht te krijgen in het zwelgedrag van deze materialen.

Nu is het mechanisme van de wateropname van kleien verre van eenvoudig. Tekenend is het feit dat hoewel er al sinds het begin van jaren dertig onderzoek naar wordt gedaan, er eigenlijk nog altijd niet veel meer bekend is dan wat kwalitatieve gegevens. Met behulp van röntgendiffractie is vast komen te staan dat kleien gelaagde, kristallijne structuren bezitten, die voornamelijk zijn opgebouwd uit siliciumoxides en aluminiumoxides met daarin een grote verscheidenheid aan metalen. Water kan tussen deze lagen absorberen, hetgeen leidt tot sterke afstotende krachten waardoor de kleilagen expanderen. Nog altijd is echter volledig onbekend wat voor structuurveranderingen het water precies induceert. Water is met behulp van röntgenexperimenten alleen op een indirecte manier aan te tonen. Onderzoekers van de Shell-laboratoria in Amsterdam en Rijswijk hebben daarom de computer te hulp geroepen om inzicht te krijgen in het zwelgedrag van een typische kleisoort, montmorilloniet. Onlangs presenteerden zij de resultaten van hun onderzoek in Science (23 februari 1996, pagina 1102).

In de simulaties worden de bewegingen van de watermoleculen tussen kleilagen nagebootst, en worden de krachten die zij uitoefenen om de klei te laten zwellen uitgerekend. Dit gebeurt met behulp van quantumchemische berekeningen. Een groot probleem hierbij is dat een simulatie van slechts enkele duizenden atomen vele uren rekentijd kost, zelfs op een snel werkstation. Uit de berekeningen blijkt dat het zwellen in stapjes gaat. Elke stap correspondeert met een extra laag watermoleculen tussen de kleilagen. Aangezien er tussen elke atomaire kleilaag tientallen waterlagen kunnen absorberen, kan de klei zwellen tot vele malen zijn oorspronkelijke volume. Onbekend was echter waarom montmorilloniet veel beter zwelt dan andere kleisoorten.

De simulaties laten op moleculair niveau zien waarom dit zo is. Allereerst kon worden aangetoond dat de kleilagen op bepaalde vaste afstanden veel gemakkelijker van elkaar konden worden geschoven: dit klopte prachtig met experimentele resultaten. Daarna werd gekeken hoeveel water er na elke stap tussen de lagen wist te komen, en vooral hoe zich dat precies aan het oppervlak van de klei rangschikte. Er bleken zich twee stabiele toestanden te kunnen vormen, eentje waarbij de watermoleculen zich in de microscopische holtes binnenin de klei begeven, en een andere waarbij ze meer boven het oppervlak van de kleilaag via waterstofbruggen gebonden worden. In een onstabiele situatie is er sprake van een mengsel van deze twee.

Wanneer de klei water opneemt, worden de watermoleculen gedwongen om van de ene optimale situatie over te gaan in de andere. Omdat deze overgang heel geleidelijk is, zwelt de klei gemakkelijk en snel op. Andere gelaagde materialen, waarin er voor het water maar één enkele oriëntatie aan het oppervlak mogelijk is, kunnen pas zwellen wanneer een volledige laag watermoleculen tegelijkertijd binnendringt. De onderzoekers hopen met hun berekeningen een nieuwe stimulans te hebben gegeven aan het experimentele onderzoek naar de eigenschappen van deze weerbarstige materialen.