Een druppel van de polymeer-surfactant oplossing spreidt zich uit in een zeepbel. Als de concentratie van polymeren in de druppel hoger is dan een kritische waarde, destabiliseert het front van de druppel in een madeliefjespatroon. Beelden zijn een halve seconde na elkaar genomen. Foto: Melika Motaghian. Het klinkt als magie. Laat een druppel op een zeepbel vallen en de druppel strekt zich in de zeepbel uit tot een bloemvorm. Melika Motaghian was de eerste keer verrast, maar inmiddels kan ze het natuurkundig verklaren. Het maakt het fenomeen niet minder oogstrelend en toepasbaar.
Melika Motaghian (Fysica en Fysische Chemie van Levensmiddelen) promoveert op het spreidingsgedrag van vloeistoffen. Het begrijpen en beheersen van dit gedrag is belangrijk voor de ontwikkeling van producten als shampoo, smeermiddel, en schoonmaakmiddelen. In haar onderzoek speelt het Marangoni-effect een belangrijke rol. Dit natuurkundig verschijnsel zie je in een glas sterke wijn: de wijn traant.
Bellenblaas
Het tranen komt door een verschil in oppervlaktespanning tussen water en alcohol (ethanol) in de wijn. Water heeft een hogere oppervlaktespanning dan ethanol. Aan de randen van het glas verdampt de ethanol sneller en zit dus meer water. Met de hogere oppervlaktespanning trekt dit water aan de vloeistof eromheen: de wijn trekt omhoog, tot het terugvalt door de zwaartekracht.
Motaghian gebruikt het Marangoni-effect om het spreidingsgedrag van vloeistoffen te testen in een zeepbel. Ze onderzocht mengsels van oppervlakte-actieve stoffen, zoals zeep, en polymeren – bijvoorbeeld polyethyleenglycol, een molecuul met een lange ketting van ethyleenglycol. Eerst spant ze een zeepbel in een speciaal apparaat, de wetenschappelijke versie van een belleblaasring. Vervolgens laat ze er één druppel van het mengsel op vallen. De druppel valt er niet op of doorheen, hij valt ín de zeepfilm. Omdat de zeep een hogere oppervlaktespanning heeft, strekt het de druppel uit.
Madeliefjes in regenboogkleur
Bij lage concentraties van het polymeer strekt de druppel zich als een perfecte cirkel in de zeepbel. Dit gebeurt in enkele tientallen milliseconden. Bij een hogere concentratie wordt de vloeistof viskeuzer – stroperiger – en strekt de druppel zich trager. Het duurt dan enkele honderden milliseconden. ‘Het verrassende is dat de druppel zich boven een bepaalde concentratie niet langer strekt als een cirkel, maar als een bloem van regenboogkleuren, een madeliefjespatroon,’ vertelt Motaghian. Ze publiceerde haar ontdekking in het tijdschrift Journal of Colloid and Interface Science.
Je wil een shampoo die je haar volledig bedekt
Het madeliefje ontstaat door de elasticiteit van de polymeren in de druppel, ontdekte Motaghian. ‘Boven een bepaalde concentratie gaan de lange polymeersnoeren met elkaar verstrikken. Dat maakt de vloeistof elastisch.’ Wanneer de druppel in de zeepbel valt, strekt hij dus niet overal evenveel. Die schommelingen in de strekking zien eruit als de bloemblaadjes van een madeliefje. De regenboogkleuren hebben te maken met de breking van licht, legt Motaghian uit: ‘Tijdens het strekken neemt de dikte van de druppel af van het midden naar de rand, en die dikte is een factor van de golflengtes van zichtbaar licht. Daarom breekt en reflecteert steeds een andere golflengte – en dus kleur – van licht.’
Stabiel strekgedrag
Motaghian’s onderzoek is fundamentele natuurkunde, maar heeft veel toepassingen. Het madeliefje, de instabiliteit in strekgedrag, is ongewenst. ‘Je wilt een shampoo die je haar volledig bedekt, of een schoonmaakmiddel dat een heel oppervlak bereikt,’ legt ze uit. ‘Daarom zoek ik uit hoe die instabiliteit ontstaat, en op welke manier je het strekgedrag stabiel kunt maken.’
