Slordige, modderige plassen gecreëerd door zomerregenstormen danken hun grenzen aan de kuilen in bestrating of grond. Maar als een glas wijn op een (hypothetisch) perfect vlak aanrecht morst, wat houdt de plas dan voor altijd uit? Tot nu toe kon de beschrijving van fysici van vloeistofstromen niet echt verklaren waarom plassen stoppen.
Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology hebben het antwoord, meldt Charles Q. Choi voor Inside Science .
Met behulp van het klassieke model zouden natuurkundigen vloeistofspreiding beschrijven als het resultaat van een 'concurrentie tussen zwaartekracht en oppervlaktespanning', schrijft Choi. Zwaartekracht trekt vloeistof naar beneden en verspreidt de plas, terwijl oppervlaktespanning, waar de moleculen strak aan elkaar hangen, druppels druppelt.
Maar terwijl het klassieke model kan worden gebruikt om de uiteindelijke vorm van een plas te verklaren, verklaart het niet hoe de plas zich in de eerste plaats begon te verspreiden. De berekeningen impliceren in plaats daarvan dat de krachten aan de rand van de plas te sterk zouden zijn om verspreiding toe te staan. “Binnen een macroscopische weergave van dit probleem is er niets dat de plas stopt om zich te verspreiden. Er ontbreekt hier iets, ”verklaart Amir Pahlavan, een afgestudeerde student aan het MIT in een persbericht.
Het is duidelijk dat plassen zich verspreiden, dus fysici passen hun model aan om uit te leggen waarom. Michael Schirber schrijft voor APS Physics :
Een populaire oplossing is om aan te nemen dat een dunne microscopische film het oppervlak voor de plas bedekt. Dergelijke voorloperfilms zijn waargenomen voor plassen die zich volledig uitbreiden tot een dunne vlakke plaat - de zogenaamde "volledige bevochtiging" - maar ze kunnen geen plassen verklaren die zich over een korte afstand verspreiden en vervolgens stoppen (gedeeltelijke bevochtiging).
Nu hebben Pahlavan en zijn collega's ontdekt wat de plas tegenhoudt - krachten die op nanoschaal werken. De onderzoekers beschouwden een film van minder dan 100 nanometer dik, waar iets genaamd de van der Waals-kracht begint te werken. Deze interactie beschrijft een fenomeen waarbij de wolk van elektronen die rond een atoom zoemen willekeurig fluctueert en hun lading de neiging heeft zich op te stapelen in een gebied van een molecuul, waardoor enigszins positieve en enigszins negatieve gebieden ontstaan. Naburige moleculen doen hetzelfde, met als gevolg dat moleculen door elkaar worden aangetrokken of afgestoten.
Deze krachten, die in de vloeistof werken, de lucht rond de plas en het oppervlak waarop de plas ligt, zijn voldoende om te voorkomen dat de plas zich verspreidt, ongeacht zijn grootte. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in het tijdschrift Physical Review Letters .
Hun model zou toepassingen kunnen hebben voor een aantal dingen, van hoe elektronica te koelen door vloeistof eroverheen te laten stromen tot ondergronds opnemen van koolstofdioxide (sommige plannen omvatten het injecteren van een met koolstofdioxide beladen vloeistof in poreus gesteente). Maar voor die toepassingen moeten de onderzoekers het model uitbreiden om uit te leggen hoe vloeistoffen over ruwe oppervlakken stromen. "Een echt oppervlak is nooit helemaal vlak en glad", vertelt Pahlavan aan Choi voor Inside Science . "[T] hier is altijd wat ruwheid om rekening mee te houden, waardoor veel nieuwe functies ontstaan."
