30 mei 2011
In het nauw gebracht, gedraagt vloeistof zich als gel
Drie moleculen dik, twee, één: hoe gedraagt een uiterst dun laagje vloeistof ‘in gevangenschap' zich als we het nog dunner maken? Metingen met de Atomic Force Microscope laten zien dat bij elke overgang de wrijvingskrachten toenemen. Vloeistof gedraagt zich dan eerder als een gel, concludeert onderzoeker Sissi de Beer van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie in haar proefschrift. Dat geeft nieuwe inzichten in de krachten die bijvoorbeeld in tal van biologische processen een rol spelen. Zij promoveerde op 27 mei aan de Universiteit Twente.
afbeelding: Artist impression van de tip van de Atomic Force Microscope die de vlakke plaat nadert, met slechts enkele molecuullagen vloeistof eronder.
Vloeistoffen gaan zich, dichtbij een oppervlak, in laagjes moleculen organiseren. De dichtheid aan de wand is groter dan verder ervan verwijderd. Aan de wand gedraagt de vloeistof zich daardoor anders. Misschien zelfs als een vaste stof? In de loop van de jaren zijn hierover verschillende theorieën gepubliceerd. Sissi de Beer komt na metingen en simulaties met nieuwe inzichten over de wrijving en viscositeit. “Ik heb op twee verschillende manieren gemeten en daarnaast ‘molecular dynamics’ simulaties uitgevoerd. Drie keer met hetzelfde resultaat, dat was echt bijzonder, zeker als je kijkt naar de uiteenlopende resultaten uit het verleden.”
Geen vloeistof meer
Zij doet dit door te meten met een tip van een Atomic Force Microscope. De vloeistof is dan opgesloten tussen de tip en een vlakke plaat. Door de afstand van de tip tot de plaat te verkleinen dwingt zij de moleculen zich te herorganiseren in drie, twee lagen, tot er maar één laag moleculen over is. Uit de metingen blijkt dat niet alleen de bekende oscillerende krachten – de moleculen bewegen in een soort vlakke golfbeweging in de buurt van de wand – optreden, maar ook een belangrijke wrijvingskracht, die groter wordt naarmate de afstand kleiner wordt. Gaan de platen ten opzichte van elkaar bewegen, dan gaat dat niet soepel zoals bij een gewone vloeistofsmering, maar met ‘horten en stoten’ of stick-slip. De vloeistof gedraagt zich volgens De Beer niet echt meer als een vloeistof, meer als een gel of als een zacht glasachtig materiaal.
De uitkomsten kunnen bijvoorbeeld in de biologie worden toegepast, bij het evalueren van de krachten die op DNA worden uitgeoefend, of geven meer inzicht in de ‘smering’ van gewrichten. Ook zijn ze van belang bij de smering van microscopisch kleine apparaatjes die in de micro- en nanotechnologie worden ontwikkeld.
Sissi de Beer heeft haar onderzoek uitgevoerd in de groep Physics of Complex Fluids van prof. Frieder Mugele, binnen het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT. Voor de simulatieberekeningen is nauw samengewerkt met de groep Computational Biophysics van prof Wim Briels. Het onderzoek is gefinancierd door de stichting FOM.
