Wie bij “klein” meteen “kwetsbaar” denkt, komt bedrogen uit in het Twentse laboratorium MESA+. Daar ontdekken natuurkundigen hoe vreemd normale materialen zich gedragen op de piepkleine schaal van de nanowereld: tientallen miljardste meters groot, de maat van moleculen. Promovendi Bram Borkent en Shangjiong Yang bekeken luchtbelletjes aan ondergedompelde oppervlakken. Zulke nanobubbels hebben veel invloed op waterwrijving in smalle vloeistofkanaaltjes, zoals in draagbare laboratoria (labs on a chip). De belletjes bleken veel hardnekkiger te zijn dan de wetenschappers hadden voorspeld. Zelfs grote drukgolven konden het werkterrein van Borkent en Yang niet luchtvrij maken.
Een stukje waterafstotend oppervlak van een miljoenste bij een miljoenste meter. De belletjes (geel) zijn maximaal 20 nanometer (0,02 miljoenste meter) hoog.
bron: MESA+, UT.
Schokgolven en schoonmaakmiddel
Een luchtbel van nog geen miljoenste meter groot, die kan niet heel stevig zijn. Volgens ruwe berekeningen van de MESA+-onderzoekers zou de eigen oppervlaktespanning van de luchtbel hem binnen de kortste keren leeg moeten knijpen. Onderzoeker Bram Borkent was dan ook stomverbaasd toen hij ontdekte dat de nanobubbels het urenlang uithielden. Hij experimenteerde met de bubbels en wilde weten wat er dan wél nodig was om ze weg te halen.
Eén reinigingsmethode was het gebruik van cavitatie. Daarbij werken schokgolven van hoge en lage waterdruk in op de luchtbellen. Die worden door de wisselende druk enorm opgeblazen tot ze zelfs met een . Maar zelfs nadat het oppervlak bestookt was met schokgolven ‘bleek het vol te zitten met nanobellen’, vertellen de onderzoekers. Borkent: ‘hier moet iets interessants aan de hand zijn, iets wat we nog niet begrijpen’.
Borkent’s collega Shangjiong Yang onderzocht hoe de nanobellen reageren op een veranderende omgeving. Hij paste de temperatuur, de gas-concentratie en zelfs hoe het oppervlak vantevoren was schoongemaakt aan. ‘Het oppervlak lijkt zelfs geheugen te hebben’, vertelt de natuurkundige: ‘de dichtheid van de nanobelletjes hangt af van het type alcohol waarmee je voor het experiment het oppervlak schoonmaakt!’
Deze opname van een oppervlak met nanobelletjes laat zien dat de bubbels verbonden zijn in een groot netwerk.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie.
Te klein
In de nanowereld is alles onzichtbaar. Letterlijk: de golven van zichtbaar licht zijn zo uitgestrekt (door hun grote golflengte) dat ze ongehinderd om voorwerpen van nanoformaat heenspoelen. Wie licht van een kleinere golflengte gebruikt, zoals UV- of röntgenstraling, loopt daarmee het risico het oppervlak te verstoren. Zulke straling draagt veel meer energie dan zichtbaar licht. Nanotechnologen gebruiken daarom apparaten als de atomic force microscope. Dat zijn dunne naalden die vlak boven het onderzochte oppervlak liggen. Door te kijken naar de aantrekkingskracht tussen naald en oppervlak kan een onderzoeker bepalen boven wat voor materiaal de naald hangt. Een relatief zacht en bolvormig voorwerp op een verder gladde ondergrond is het signaal van een nanobel.
Zie verder
- Superstabiel en supermysterieus
- Bubble puzzles (Kennislinkartikel van Detlef Lohse)
- Sonoluminescentie: luchtbellen laten gloeien (Kennislinkartikel van Archimedes / Martijn Kusters)
