Vloeistof is dichtbij harde ondergrond al een beetje vast

In een vloeistofdruppel die contact maakt met een vlakke plaat rangschikken de vloeistofatomen vlakbij de plaat zich in geordende lagen parallel aan het grensvlak.

Dit hebben onderzoekers van het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica en het Van der Waals-Zeemanlaboratorium van de Universiteit van Amsterdam met behulp van röntgenstraling vastgesteld. Het onderzoek, waarop eerste auteur Willem Jan Huisman afgelopen maandag promoveerde, is deze week gepubliceerd in Nature. Enkele maanden geleden won Huisman met zijn onderzoek de ECOSS-prijs van de European Conference on Surface Science.

Terwijl in een vaste stof de atomen (of moleculen) in een kristalrooster regelmatig geordend zijn, bewegen ze in een vloeistof kris-kras door elkaar. De grenslaag tussen vloeistof en ondergrond, die in natuurlijke en industriële processen als bevriezing en kristalvorming een belangrijke rol speelt, houdt onderzoekers al tientallen jaren bezig. Zo voorspellen theoretische modellen dat de vloeistofatomen vlakbij de vaste wand zich over een afstand van enkele atoomlagen ordenen: de vloeistof wordt als het ware een beetje vast. Dit heeft zijn invloed op stromingsverschijnselen en het groeien van bevriezingskernen in de vloeistof.

Voor het eerst is deze ordening nu in een experiment aangetoond. De Amsterdamse onderzoeksgroep, die onder leiding staat van prof.dr. Friso van der Veen, werkte met galliumdruppels (een metaal dat net als kwik bij kamertemperatuur vloeibaar is) op diamant. De druppel (99,9999% zuiver gallium) werd in ultrahoog vacuüm met een aluminium spuit aangebracht en had met het diamant een contactoppervlak van 9 mm. Diamant, gesynthetiseerd en met de hand gepolijst, is doorzichtig voor röntgenstraling en reageert niet met het gallium.

De röntgenstraling werd betrokken van ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble, waar een nauwe bundel met een zeer hoge intensiteit beschikbaar is. In het Amsterdamse experiment valt deze bundel (golflengte 7,27 nanometer), door het diamant heen, vanonder op het grensvlak met de galliumvloeistof. Via de reflecties van de röntgenbundel (gemeten via een natriumjodide scintillatieteller) is na te gaan of en hoe de vloeistof nabij het diamant geordend is.

Een van de conclusies van Huisman et al is dat de laagsgewijze ordening in het gallium exponentieel afneemt bij toenemende afstand tot het diamantoppervlak. Twee atoomlagen verderop in de vloeistof, een afstand van 0,38 nanometer, is de mate van orde al fors afgenomen. Anders dan voorspeld lijken de laagjes 'bevroren' gallium niet uit enkele atomen te bestaan, maar uit rechtopstaande halters van twee atomen (dimeren). Deze structuur komt overeen met een ordening in vast gallium (de -fase) zoals die in de natuur voorkomt als het metaal tot onder het vriespunt wordt afgekoeld.

Het Amsterdamse onderzoek zou consequenties kunnen hebben voor het fysisch begrip van stollingsprocessen in atomaire vloeibare metalen, en voor de rol die de vaste wand om de vloeistof speelt in het proces van kiemvorming.

    • Dirk van Delft