2 aug. 2007
4 minuten
Leg een waterdruppeltje op een drijvende dunne polymeerlaag en er ontstaan rimpels rond de druppel. Met een eenvoudige microscoop is dit al te zien. De hoeveelheid rimpels en hun lengte blijkt een directe maat voor de elasticiteit en de dikte van de polymeerlaag. Dat melden FOM-onderzoeker Wim de Jeu en collega’s uit de Verenigde Staten […]
Leg een waterdruppeltje op een drijvende dunne polymeerlaag en er ontstaan rimpels rond de druppel. Met een eenvoudige microscoop is dit al te zien. De hoeveelheid rimpels en hun lengte blijkt een directe maat voor de elasticiteit en de dikte van de polymeerlaag. Dat melden FOM-onderzoeker Wim de Jeu en collega’s uit de Verenigde Staten en Chili in de Science van 3 augustus 2007.
Foto 1. Vier dunne polystyreenfilms (dikte in de figuur aangegeven) drijvend op een wateroppervlak. In het midden van elke film is met een micropipet een waterdruppeltje aangebracht. Dat heeft een diameter van ongeveer een millimeter en een massa van ongeveer 0,2 milligram. De schaal van de verschillende foto’s is verschillend! De diameter van de druppeltjes is in alle gevallen ongeveer hetzelfde. Naarmate de film dikker wordt, neemt het aantal rimpels af (van 111 linksboven via 68 en 49 naar 31 rechtsonder). Tegelijk worden de rimpels langer. Daarom zijn de afbeeldingen ook toenemend groter.
De rimpels ontstaan onder invloed van de oppervlaktespanning van de waterdruppel. Daarmee is zo’n drijvend polymeerlaagje een mooi model om gedrag van dunne films in vloeistoffen te bestuderen. Die combinatie komt in biologische en synthetische zachte materialen alom voor.
Voor hun metingen gebruikten de onderzoekers dunne lagen polystyreen die ze hechtten aan een ondergrond van glas. De dikte van de dunne lagen, bepaald met behulp van röntgenreflectie, varieerde van 31 tot 233 nanometer. Vervolgens kerfden ze in elk van de laagjes een cirkel met een diameter van 22,8 millimeter en dompelden het daarna in een petrischaal onder in gedistilleerd gedeïoniseerd water. Daarin liet dat omcirkelde deel van de dunne lagen los en ging op het water drijven. Omdat polystyreen zogeheten hydrofoob is, trekt de oppervlaktespanning aan de rand van de laag het polystyreen vlak. Zo ontstonden drijvende vlakke schijfjes polystyreen. Als de onderzoekers er vervolgens in het midden een druppeltje water op neer lieten of er met een naaldje op drukten, ontstonden ten gevolge van die verstoring regelmatig gevormde patronen van naar buiten gerichte rimpels. Het rimpelpatroon blijkt keurig overeen te komen met wat recent ontwikkelde theorie voorspelt.
Die theorie vertaalt de oppervlaktespanning van de waterdruppel in capillaire krachten die op de polymeerfilm werken. De onderzoekers hebben nu de schalingsrelaties die uit deze theorie volgen voor de lengte van de rimpels gecombineerd met die voor het aantal rimpels dat ontstaat. Dat levert een meetstandaard op om de elasticiteit en de dikte van zeer dunne polymeerlagen te bepalen. Daarvoor is in de praktijk zo blijkt nu niet meer nodig dan een petrischaaltje met water, een simpele microscoop, want de patronen zijn al bij geringe vergroting uitstekend zichtbaar, en een digitale camera. Ze hebben hun methode daarna getest op polymeerfilms die ze hadden voorzien van weekmaker om de elasticiteit van de films te variëren. Ook dan levert de methode betrouwbare resultaten voor de dikte van de films op.
Foto 2. Aan een polymeerfilm met een dikte van 170 nanometer hebben de onderzoekers 35 massaprocent ‘plasticizer’ (weekmaker) toegevoegd. Daarna leggen ze er een waterdruppel op neer. De ontstane rimpels verdwijnen na enige tijd weer.
De werkwijze die de onderzoekers hebben ontwikkeld, heeft nog een ander groot voordeel. Wanneer ze de film verstoren, door er die waterdruppel op neer te laten of met een naaldje te duwen, ontstaan de rimpels. Na verloop van tijd verdwijnen die omdat de verstoringen zich over de hele film uitsmeren. De film ontspant als het ware. Bij andere onderzoeksmethodes worden de films op een vaste ondergrond aangebracht en dat kan tot mechanische spanningen in de lagen leiden. Die verstoren de ‘ ontspanning’ van de film, wat de meetresultaten beïnvloedt. Wanneer de films in of op een vloeistof drijven, kunnen dergelijke spanningen eerst naar de onderliggende vloeistof wegebben, waarna de metingen uitsluitend het proces van het rimpelen weergeven.
Referentie:
Jiangshui Huang, Megan Juszkiewicz, Wim de Jeu, Emrique Cerda, Todd Emrick, Narayanan Menon en Thomas Russell, Capillary wrinkling of floating thin polymer films, Science, 3 augustus 2007.
Alle auteurs, op Cerda na, zijn verbonden aan de Universiteit of Massachusetts, in Amherst, MA, Verenigde Staten. Cerda werkt bij de Universiteit van Santiago de Chile in Chili. De Jeu – nu bij het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam – zal vanaf 1 oktober 2007 voor drie jaar gaan werken bij het National Polymer Center van de University of Massachusetts in Amherst.