Chaotische golven aan een vloeistofoppervlak in beeld gebracht

Zelfs wanneer het oppervlak van een vloeistof er kalm en spiegelglad uitziet, is het op microscopische schaal ruw en verre van rustig. Dat hebben onderzoekers van de Universiteit van Utrecht nu als eersten laten zien door gebruik te maken van een speciale lichtmicroscoop. Zij slaagden er in om de oppervlaktegolven in beeld te brengen die het gevolg zijn van de voortdurende beweging van moleculen in een vloeistof. Het modelsysteem dat ze daartoe ontwikkelden biedt een prachtig hulpmiddel om op een tot nog toe ongekende schaal die bewegingen te bestuderen. Een dieper inzicht in dit soort dynamische processen aan het grensvlak tussen vloeistof en een gas is ook van praktisch belang, bijvoorbeeld voor de beschrijving van golven in oceanen of voor het ontwikkelen van betere methoden voor het aanbrengen van dunne coatings (Science, 7 mei).

Het was Albert Einstein die als eerste het bestaan van moleculen aannemelijk maakte toen hij de Brownse beweging – het chaotische bewegen van kleine deeltjes in een vloeistof – verklaarde uit het onophoudelijke bombardement van vloeistofmoleculen. Diezelfde bewegingen onder invloed van warmte zijn er verantwoordelijk voor dat een vloeistofoppervlak nooit echt vlak is. De theorie die deze `warmtegolven' beschrijft is al meer dan een eeuw oud, maar niemand was er ooit in geslaagd ze daadwerkelijk waar te nemen. Dat komt omdat ze minder dan een nanometer (miljoenste millimeter) hoog zijn en zich met hoge snelheid verplaatsen.

Dirk Aarts en zijn collega's gingen op zoek naar een modelsysteem waarin ze deze oppervlaktegolven wel in beeld zouden kunnen brengen. Nu is de laatste jaren gebleken dat veel moleculaire verschijnselen – zoals de vorming van kristallen – heel goed zijn na te bootsen met behulp van kleine bolletjes (colloïden), met een diameter van rond de honderd nanometer. Aarts bedacht een methode om met behulp van colloïden het grensvlak van een vloeistof na te bootsen. Door toevoeging van polymeren wist hij bovendien de onderlinge krachten tussen de bolletjes zó af te stemmen dat de bewegingen van moleculen aan het oppervlak nét zichtbaar werden onder de lichtmicroscoop.

Aan de hand van de microscoopbeelden konden de onderzoekers direct een aantal theoretische voorspellingen toetsen: de colloïden bleken zich keurig als reuzenmoleculen te gedragen. Ook het samenvloeien van een druppel met een vloeistof kon op microscopische schaal in beeld worden gebracht. Daaruit bleek dat de capillaire golven een belangrijke rol spelen bij het leggen van het eerste contact tussen druppel en vloeistof. Dat vermoeden was al eind jaren zestig voor het eerst uitgesproken en sindsdien een onderwerp van veel discussie. De Utrechtse plaatjes maken daaraan in één keer een eind.