Wederzijdse aantrekking laat kleine deeltjes sneller zinken

15 februari 2010 

Kleine deeltjes die elkaar licht aantrekken, zinken sneller door een vloeistof dan even grote niet-aantrekkende deeltjes. Onderzoekers aan de Universiteiten van Twente, Granada (Spanje) en Oxford (Engeland) hebben door middel van computer simulaties ontdekt dat de bezinkingssnelheid op een verrassende manier van de deeltjesconcentratie afhangt. Dit publiceren ze in Physical Review Letters van 12 februari.

Verf, inkt, cosmetica en voedselwaren, zoals melk, boter en ijs, bestaan uit kleine deeltjes (1 nanometer tot 10 micrometer) opgelost in een vloeistof. Dit zijn zogeheten colloïdale oplossingen. Ook eiwitten en cellen kunnen als biologische colloïden worden beschouwd. Een eigenschap van deze deeltjes is dat ze elkaar aantrekken als ze bij elkaar in de buurt komen, en zo clusters vormen. Deze clusters stoten elkaar vervolgens weer af. In het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters van 12 februari publiceert Johan Padding, ten tijde van het onderzoek medewerker van de vakgroep Computational Biophysics, hoe hij samen met onderzoekers uit Granada (Spanje) en Oxford (Engeland) nieuwe simulatietechnieken heeft ingezet om licht te werpen op de invloed van wederzijdse lichte aantrekking tussen de deeltjes op hun bezinkingssnelheid door een vloeistof.

Bezinking
De onderzoekers vonden dat bij lage deeltjesconcentratie de bezinkingssnelheid groter wordt als de onderlinge aantrekking en concentratie toeneemt. Dit is precies in overeenstemming met een theorie uit 1982 van prof. Batchelor. Het is de eerste keer dat deze theorie bevestigd wordt voor colloïdale oplossingen. Een verrassende vondst was dat bij hogere deeltjesconcentratie de bezinkingssnelheid weer afneemt, wat leidt tot een maximum in de bezinkingssnelheid bij een deeltjesconcentratie van ongeveer vijf procent. De onderzoekers verklaren dit door de afstanden van deeltjes binnen een cluster te vergelijken met de afstanden tussen clusters. Zodra de ruimte tussen naburige deeltjes kleiner wordt dan de straal van een deeltje, is er geen sprake meer van losse deeltjes, en moet de vloeistof tussen de deeltjes door geperst worden. In dat geval is de lichte aantrekking tussen de deeltjes niet langer relevant, en gaat de bezinkingssnelheid weer omlaag.
"Dit is een relevant resultaat voor de wetenschap omdat colloïdale deeltjes elkaar bijna altijd aantrekken. Er zijn ook praktische gevolgen, bijvoorbeeld voor de stabiliteit van verf, afvalwater behandeling en analysetechnieken voor biologische systemen zoals ultracentrifuge, waar regelmatig de analogie tussen colloïdale systemen en eiwitten wordt gebruikt. Veel van dergelijke technieken worden niet bij lage concentratie toegepast, en als dat wel het geval is, dan is dat vaak om de analyse te vergemakkelijken. Simulaties, zoals wij gedaan hebben, kunnen helpen de metingen efficiënter en nauwkeuriger te maken," aldus Padding.

Afbeelding: Snapshot uit een simulatie van 5000 colloïdale deeltjes van 1 micrometer in water. Onder invloed van zwaartekracht zinken de deeltjes langzaam omlaag.

Noot voor de pers:
Het onderzoek is uitgevoerd bij de vakgroep Computational Biophysics door Johan Padding. Johan Padding is nu werkzaam aan de Universiteit van Louvain-la-Neuve in Belgie. Het artikel is op verzoek digitaal beschikbaar. Meer informatie bij Rianne Wanders, 053-4892721.