De grens is nooit scherp

In twee jaar tijd werd Dirk Aarts van promovendus in Utrecht een lecturer in Oxford. En dat dankzij slimme technieken die laten zien dat ogenschijnlijk vlakke grenslagen, zoals het oppervlak in een kop koffie, in werkelijkheid heel woelig zijn. Margriet van der Heijden

Een schaatsenrijdertje gebruikt de oppervlaktespanning van water (midden). Een door een confocale microscoop opgenomen filmpje (onder) toont hoe colloïdrijke vloeistof (groen) samentrekt in steeds grotere gebieden, die wervelen tussen colloïdarme vloeistof (zwart) en zich uiteindelijk onderin de mengbeker verzamelen. Een tweede filmpje (links) toont hoe een colloïdrijke druppel (groen) samenvloeit met colloïdrijke vloeistof. image description

‘Wil je koffie?’ Op tafel in de werkkamer op de zevende verdieping van het Kruyt-gebouw van de Universiteit Utrecht staan twee plastic bekertjes klaar. Het gebouw op de Uithof is een betonnen kolos uit de jaren zeventig, met smalle gangen, systeemplafonds, veel grijs en kunstlicht. De krappe kamer met uitpuilende boekenkasten heeft gelukkig een groot raam, met uitzicht op de Domtoren in de verte.

Fysisch chemicus Dirk Aarts (29), sinds januari lecturer aan de universiteit van Oxford, is op bezoek bij zijn oude vakgroep, de groep voor fysische en colloïdale chemie van zijn promotor, prof. dr. Henk Lekkerkerker. Vier jaar, tot mei 2005, werkte Aarts hier en in het bijbehorende Van ’t Hoff-laboratorium aan zijn onderzoek aan oplossingen van colloïden. De vetten en eiwitten in melk zijn een voorbeeld van colloïden, of de eiwitten die een waas geven aan witbier. Het zijn dus deeltjes die veel groter zijn dan watermoleculen of andere vloeistofmoleculen, maar die nog net te licht zijn om in een vloeistof naar de bodem te zinken.

Honderd jaar geleden liet Albert Einstein zien dat colloïden in een oplossing net zo kriskras door elkaar warrelen als de vloeistofmoleculen zelf. Ook colloïden kennen, anders gezegd, de onregelmatige Brownse beweging. Maar Aarts maakt er in zijn onderzoek juist gebruik van dat colloïden daarnaast, vanwege hun grootte, bepaalde karakteristieke gedragingen hebben. Dat maakt ze, zo bemerkte hij, ideaal om als het ware in slow-motion grensvlakken te bestuderen.

“Het gaat dan om het gedrag van grensvlakken tussen twee vloeistoffen of tussen vloeistoffen en gassen”, licht hij toe. Zoals het ogenschijnlijk spiegelgladde oppervlak van koffie in een plastic bekertje. De vervormingen die daarin in werkelijkheid voortdurend optreden zijn zo minuscuul en verlopen zo razendsnel dat ze niet zichtbaar te maken zijn. Zelfs niet met een microscoop en een ultrasnelle camera. Alleen een indirecte meetmethode, zoals het verstrooien van röntgenstraling of kerndeeltjes (neutronen) aan het grensvlak, geeft informatie.

seeable

Door colloïden in oplossingen te gebruiken, maakte Aarts een modelsysteem voor zulke grenslagen dat wél ‘slow, soft and seeable’ is. Ofwel: met een grensvlak dat zo zacht (soft) is dat de vervormingen erin groot genoeg zijn om ze te kunnen zien (seeable) en traag genoeg verlopen om ze te kunnen volgen (slow).

Dat onderzoek is nu, anderhalf jaar later, aanleiding voor Aarts’ bezoek aan Nederland. Gisteravond heeft hij er de Andries Miedemaprijs voor in ontvangst genomen – een tweejaarlijkse prijs van de stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) voor het beste promotie-onderzoek op het gebied van de ‘gecondenseerde materie’. De jury was niet alleen enthousiast over zijn werk, maar ook over de helderheid en toegankelijkheid waarmee Aarts het in zijn proefschrift (gebaseerd op negen publicaties in onder meer Science en Physical Review Letters) uiteenzette.

“Nou ja”, zegt hij een beetje schouderophalend. “Als ik er nu over vertel dan denk ik zelf ook: het is heel logisch dat het zo zit als het zit.” Maar, zo voegt hij eraan toe: “Misschien is dat achteraf vaak zo: dat iets dan vanzelfsprekend lijkt. Destijds was ik héél erg blij met het idee en met de resultaten van het onderzoek. Vooraf wist je helemaal niet welke kant het zou op gaan, maar alles werkte de goede kant uit.”

latex-verf

Het idee voor de experimenten kreeg Aarts tijdens een workshop in Spanje. Voor de theoretische onderbouwing ervan zocht hij contact met theoretisch fysicus Matthias Schmidt van de Universiteit Utrecht. In de proeven vermengde Aarts kleine bolletjes polymethylmethacrylaat (PMMA), ‘druppeltjes latex-verf’, met een oplosmiddel waaraan bovendien nog polymeren (polystyreen) werden toegevoegd. Op zijn laptop heeft hij filmpjes die, versneld, laten zien hoe deze oplossing vervolgens in de loop van een paar uur ontmengt.

De polymeren hebben ruimte nodig, zegt Aarts, en ze winnen die ruimte als de colloïden steeds meer bijeendrijven. Dat gaat helemaal vanzelf doordat zo nu eenmaal de energetisch gunstigste situatie wordt bewerkstelligd. Het proces, dat er op de filmpjes uitziet als traag veranderende vloeistofdia’s, leidt met hulp van de zwaartekracht tot een ware reorganisatie in de mengbeker. Bovenin ontstaat een oplossing van vooral polymeren waar schaarse colloïden doorheen ijlen: de ‘gasfase’. Onderin blijft een oplossing over die juist verzadigd is met colloïden: de vloeistoffase.

De crux zit in de grenslaag daartussen waarvan de oppervlaktespanning veel lager is dan, zeg maar, in een bekertje koffie. “Er treedt als het ware een schaalwet in werking”, aldus Aarts. “Doordat de colloïden groot zijn wordt de energie in de grenslaag – grotendeels thermische of bewegingsenergie van de colloïden – over een groter oppervlak uitgesmeerd. Het gevolg is dat de oppervlaktespanning een stuk lager is.” Het oppervlak is daardoor makkelijker vervormbaar, en dat leidt tot zogeheten capillaire golven met een amplitude (afwijking ten opzichte van het oppervlak) van 0,3 micrometer in plaats van de enkele tientallen Ångstrøms (10-10 meter) zoals in ‘gewone’ grenslagen tussen vloeistof en gas. De beweging van die golven is bovendien, weer ten opzichte van zo’n gewone grenslaag, vertraagd van enkele meters per seconde naar enkele micrometers per seconde. En ten slotte is de lengte waarover de golven zich langs het oppervlak uitstrekken juist kleiner geworden: dertig micrometer in plaats van drie millimeter. “Een grotere lengte duidt op een stijf oppervlak, dat bijvoorbeeld in zijn geheel een minuscuul beetje op en neer beweegt – een beweging die nagenoeg niet waarneembaar is. Een kortere lengte leidt tot een zachter oppervlak dat gemakkelijker indeukt en rimpelt, zoals ook inderdaad gebeurde.”

woelig

Van dat grensvlak maakte Aarts opnames met een confocale microscoop – een microscoop die met behulp van laserlicht haarscherpe driedimensionale opnames kan maken van een ‘plakje’ van een object of oplossing. Ze laten zien dat het ogenschijnlijk zo gladde grensvlak in feite niet bestaat. Het vlak is zo woelig en veranderlijk dat nauwelijks meer aan te wijzen is waar het loopt. “En als je op deeltjesniveau kijkt, lukt dat gewoon al helemaal niet meer. Tenzij je je toevlucht neemt tot wiskundige modellen natuurlijk.”

gasfase

Zelf is hij vooral verbaasd over de vervorming in het grensvlak wanneer een druppel van colloïden door de gasfase heen op het grensvlak valt en daarmee samenvloeit. Vlak voor de druppel ‘landt’, als de tussenliggende polymeren weg geperst worden, deukt het grensvlak onder druk helemaal in, zo laat een ander filmpje zien. Het wekt de indruk dat de druppel met een vaart inslaat, terwijl het proces toch heel kalm en rustig verloopt.

“Het afgelopen jaar heb ik in Parijs met een supersnelle camera (100.000 frames per seconde) beelden gemaakt van het zelfde proces van samenvloeiing in een ‘gewone’ vloeistof en het grappige was dat de twee filmpjes – als je de ene versneld afspeelde – sprekend op elkaar leken”, aldus Aarts. Dat bevestigt het idee dat het colloïdale systeem een goed model vormt om inzicht in het gedrag van grenslagen van vloeistoffen te krijgen. Niet alleen van vlakke grenslagen, maar ook van de buitenkant van vlokken of druppels.

De kennis die dat oplevert is in de eerste plaats heel fundamenteel, geeft Aarts meteen toe. Maar tegelijk heeft dit soort onderzoek allerlei raakvlakken met industriële processen. In de voedingsindustrie bijvoorbeeld komen colloïden veelvuldig voor. Een klassiek huis-, tuin- en keukenvoorbeeld is het maken van mayonaise waarbij oliedruppeltjes (zo klein dat het colloïden zijn) worden opgelost in een mengsel van water en eiwitten. En zo zijn er ook colloïden te vinden in allerlei grootschalige processen van vla maken tot bierbrouwen.

Iets anders: de druppeltjes in de inktjetprinter – waarin ook colloïden zitten – gaan onvermijdelijk vergezeld van een spray van fijne, secundaire druppeltjes. Onderzoek naar zulke druppelvorming kan helpen om die spray binnen de perken te houden en dus met (iets) hogere resolutie te printen.

parijs

Aarts zelf heeft dit soort onderzoek al weer deels achter zich gelaten. De afgelopen anderhalf jaar werkte hij als Marie Curie-fellow bij de École Normale Supérieure in Parijs – in het vijfde arrondissement, op een steenworp afstand van het Pantheon. De grondprijzen zijn daar zo hoog dat er enorm met de ruimte gewoekerd moest worden. “We zaten met zijn vijven op een mezzanine in het lab – boven de experimenten. Maar dat had zijn eigen charme.”

Aarts benutte de tijd in Parijs om technieken onder de knie te krijgen uit het onderzoeksgebied van de microfluidics, de stromingen op microschaal in bijvoorbeeld polymeeroplossingen – ook al oplossingen die in de industrie veel gebruikt worden.

In Oxford wil hij zijn kennis op beide terreinen combineren. In januari is hij er met zijn vriendin, die op het kantoor van Harley-Davidson een baan heeft gevonden, naartoe verhuisd. Maar hoewel het zo klinkt, is dat toch niet een jongensdroom die uitkomt, zegt Aarts. Hij was geen jongetje met een scheikundedoos of een rommelhok om proefjes te doen. “Ach nee, ik voetbalde liever. En ik hield van lezen.”

Het is natuurlijk wel ‘geweldig leuk’ om nu in Oxford aan de slag te gaan. “Ik stap ook niet in een bestaande groep, maar mag helemaal vanuit het niets zelf mijn onderzoeksgroep gaan opzetten.” In die groep wil hij gaan bestuderen hoe grensvlakfluctuaties de hydrodynamica van een systeem beïnvloeden. En hoe, op deeltjesniveau, zepen of andere oppervlakteactieve stoffen zich aan een grenslaag hechten.

Intussen heeft Aarts, die als lecturer ook promotierecht heeft, al twee promovendi aangetrokken. Nu is hij bezig om contacten te leggen met het bedrijfsleven. “Dat wordt hier erg gestimuleerd. Het is heel gewoon dat een bedrijf bijvoorbeeld een derde deel van de kosten van een promotieplaats op zich neemt. En contacten met bedrijven of sponsoring van apparatuur worden toegejuicht.”

Of dat heel anders is dan in Nederland durft Aarts niet te zeggen. In Nederland was hij ten slotte nog niet in de positie zich daar erg mee bezig te houden. “Nu moet ik wel. Maar uiteindelijk is mijn eigen belangstelling toch in de eerste plaats fundamenteel: ik wil gewoon graag weten hoe het zit.”

    • Margriet van der Heijden