naar top
Menu
Logo Print
22/11/2018 - ING. M. DE WIT-BLOK

WIE HET KLEINE NIET EERT …

Prof. dr. Detlef Lohse krijgt ERC Advanced Grant voor onderzoek naar 'diffusive droplet dynamics'

Vloeistof-vloeistofextractie (liquid-liquid extraction - LLE) bevat zowel aspecten uit de chemie als uit de vloeistoffysica, maar de dynamiek ervan wordt nog niet volledig begrepen. Met behulp van een nieuwe theorie en bijbehorende experimenten ging prof. dr. Detlef Lohse aan de Universiteit Twente samen met zijn onderzoeksteam aan de slag om het geheim achter 'diffusive droplet dynamics' te ontrafelen, zodat toepassingen niet meer via trial & error tot stand hoeven te komen. Voor zijn onderzoeksvoorstel ontving Lohse dit jaar een ERC Advanced Grant van de European Research Council.

 

Prof. dr. Detlef Lohse
Prof. dr. Detlef Lohse

LEERSTOEL VLOEISTOFDYNAMICA

Prof. dr. Detlef Lohse is sinds 1998 verbonden aan de Universiteit Twente waar hij de leerstoel Vloeistofdynamica bekleedt. Binnen zijn vakgroep wordt onderzoek gedaan naar vloeistofdynamica op alle lengte- en tijdschalen, van turbulentie tot microfluïdica.
Binnen de Universiteit Twente is de vakgroep tevens onderdeel van het 'Max Planck centrum voor complexe vloeistofdynamica', het onderzoekscentrum MESA+ en het 'Centrum voor wetenschappelijke berekeningen'. 
Lohse voert onder meer onderzoek naar nanobelletjes en nanodruppeltjes in een vloeistof.

 

ONTSTAAN VAN NANOBELLETJES

Wanneer je een vaste stof volledig onderdompelt in een vloeistof, zou je misschien verwachten dat de vloeistof in direct contact staat met het oppervlak van de vaste stof. In vele gevallen is dat echter niet zo en bevinden er zich op het grensvlak nanobelletjes, dat zijn nanoscopische hemisferoïde gasgebieden waarvan de diameter varieert van 1 tot 100 nm.

Detlef Lohse: “Opvallend aan die nanobelletjes is dat ze überhaupt bestaan, ondanks het ontgassen van de vloeistof. Ze zijn zodanig stabiel dat ze niet direct in oplossing gaan, in tegenstelling tot veel grotere belletjes. Dat komt omdat bij deze kleinere belletjes andere processen spelen die dat voorkomen, met name door de wisselwerking met het oppervlak waarop ze zich bevinden."

 

Glas gevuld met koud leidingwater (dat oververzadigd is) na 24 uur bij kamertemperatuur: Veel luchtbellen aan het oppervlak zijn gekerned en hebben het overleefd.
Oppervlakkige gasbelletjes op een glas leidingwater bij kamertemperatuur 

Oppervlakbelletjes ontstaan bijvoorbeeld wanneer een glas leidingwater een nacht blijft staan. Ons leidingwater is namelijk verzadigd met lucht. De temperatuur van het koude water zal met het verstrijken van de nacht evolueren naar kamertemperatuur, waardoor het oplossend vermogen van het water afneemt. Daardoor treedt de lucht uit oplossing en slaat ze neer op een naburig oppervlak.

AFM-beeld van nanobelletjes
AFM-beeld van nanobelletjes op een 4 x 4 µm oppervlak van HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) .

Omdat de Laplace-druk voor kleine belletjes divergeert, zullen belletjes met een gemiddelde diameter vanaf 10 nm onmiddellijk weer in oplossing gaan. Hun levensduur laat zich uitdrukken in de grootteorde van µs. Voor kleinere belletjes verwacht je een nog kortere levensduur. Dat dit toch niet gebeurt, hangt - heel simpel gezegd - samen met het feit dat deze druppeltjes geen sferische belletjes meer zijn, maar afgeplatte belletjes. Ze lossen uiteindelijk wel langzaam op, niet door het verkleinen van hun laterale grootte, maar door het verkleinen van de contacthoek aan de gaszijde. De driefasecontactlijn blijft hierdoor 'vastgeplakt' (pinned) en verandert het scenario van oplossen dramatisch: de Laplace-druk divergeert niet meer, maar nadert nul, waardoor zich in het belletje geen grote inwendige druk meer kan opbouwen en het belletje niet in oplossing gaat.

 

Figuur 2: Nanodruppeltjes die zich  op een oppervlak hebben gevormd
AFM-beeld (Atomic Force Microscope) van nanodruppels op een 30 x 30 µm oppervlak van gehydrofobiseerd silicium

 

VLOEISTOF-VLOEISTOFEXTRACTIE

Bovenstaand principe werkt ook met vloeistof in vloeistof, waarbij nanodruppeltjes (in plaats van belletjes) ontstaan. Een belangrijk onderzoeksgebied omdat het potentie biedt voor de zogenaamde vloeistof-vloeistofextractie. Bij dit type extractie gaat een bepaalde stof in een oplosmiddel over in een ander oplosmiddel. Detlef Lohse: “Een voorbeeld: stel dat je een stof A wilt verwijderen uit een vloeistof B (bijvoorbeeld water) waarin A is opgelost. Dan is dit mogelijk door een vloeistof C toe te voegen (bijvoorbeeld een olie) die niet oplosbaar is in B, maar waarin A beter oplost dan in B. Door de onoplosbaarheid van C zal deze vloeistof als kleine druppeltjes in B aanwezig zijn en A de gelegenheid geven om in C op te lossen. Deze combinatie AC is vervolgens te scheiden van de vloeistof B - bijvoorbeeld door middel van centrifuge - waarna het gewenste resultaat is bereikt."

Figuur 3: Een druppeltje ouzo doorloopt tijdens het verdampingsproces verschillende stadia, waarbij de vorm ervan voortdurend verandert
Figuur 3: Een druppeltje ouzo doorloopt tijdens het verdampingsproces verschillende stadia, waarbij de vorm ervan voortdurend verandert
Figuur 1: De vier fasen waarin een ouzodruppel verdampt waarbij de oplossing van water en ethanol blauwgekleurd is en het anisool geel. De druppel verandert van vorm en de alcohol verdamptFiguur 1: De vier fasen waarin een ouzodruppel verdampt waarbij de oplossing van water en ethanol blauwgekleurd is en het anisool geel. De druppel verandert van vorm en de alcohol verdampt
Figuur 1: De vier fasen waarin een ouzodruppel verdampt waarbij de oplossing van water en ethanol blauwgekleurd is en het anisol (methoxybenzeen) geel. De druppel verandert van vorm en de alcohol verdampt

Om dit mogelijk te maken, is onder andere eerst onderzoek gedaan naar vloeistofdruppeltjes op een vaste ondergrond in de lucht. Dit is immers eenvoudiger dan onderzoek naar gasbelletjes en druppeltjes in vloeistof. Een voorbeeld hiervan is het nauwgezet in kaart brengen van de verdampingsfase van een druppeltje ouzo; bestaande uit water en in alcohol opgelost anisool (zie figuur 1 en 3). Zowel dichtheden als de verandering van oppervlaktespanning door verdamping en hierdoor ontstane stromingen spelen in dit type onderzoek een rol.

Vervolgens is onderzoek gedaan naar het vormen van druppeltjes in het water waarbij ook ouzo als voorbeeld is te nemen. Wanneer extra water aan ouzo wordt toegevoegd, zal de oplosbaarheid van het anisool in de alcohol afnemen, waardoor kleine druppeltjes anisool in het drankje ontstaan; het drankje wordt troebel.

 

MET NANODRUPPELTJES

Juist de nanodruppeltjes zijn van belang bij vloeistof-vloeistofextractie omdat de klassieke manier van vloeistof-vloeistofextractie niet bijzonder efficiënt is door het beperkte aantal druppeltjes in de vloeistof. Twaalf jaar geleden is hiervoor een oplossing gevonden door de zogenaamde 'dispersed liquid-liquid'-methode waarbij een extra vloeistof betrokken is. Het uitgangspunt is hetzelfde: een stof A is opgelost in een vloeistof B (bijvoorbeeld water). Vervolgens wordt hieraan geen in A onoplosbare vloeistof toegevoegd, maar een mengsel van bijvoorbeeld olie in ethanol. Bij het samenbrengen van deze twee vloeistoffen zal het oplossende vermogen van ethanol dalen en zal de olie als nanodruppeltjes in het mengsel van stof A in vloeistof B vrijkomen. Lohse: “Dit betekent dat je nu opeens heel veel heel kleine druppeltjes hebt (dus een relatief groot oppervlak) waarin stof A kan overgaan en je de scheiding dus veel sneller kunt realiseren. Op dit moment is dit proces echter nog een kwestie van trial & error en kunnen we de meest efficiënte concentraties en benodigde condities nog onvoldoende betrouwbaar voorspellen. Dit komt omdat we nog niet de volledige dynamiek en alle betrokken processen begrijpen, en dat houdt nieuwe toepassingen tegen. Om die reden wil ik graag met behulp van een nieuwe theorie en experimenten onderzoek doen."

 

TWEE CULTUREN

Deze mogelijkheid krijgt de afdeling van Lohse onder meer door het ontvangen van een ERC Advanced Grant van de Europese Research Council (ERC) dit jaar. Deze Grants vallen onder de pijler Excellent Science van het Europese Horizon 2020-programma en stellen hem onder meer in staat om verschillende postdocs en promovendi fulltime op dit onderzoek te zetten. Lohse: “Het bijzondere is dat in dit onderzoek zowel chemische als natuurkundige aspecten een rol spelen, wat betekent dat beide disciplines nauw moeten samenwerken om dit raadsel te ontrafelen. En dat alleen is al een uitdaging omdat het werkelijk verschillende culturen betreft. Het is echter belangrijk dat dit tóch lukt omdat ik graag een brug wil bouwen tussen de chemisch ingenieur en de specialisten die zich begeven op het vlak van de vloeistofdynamica."

Het onderzoek - dat maximaal vijf jaar mag duren en inmiddels is opgestart - betreft bovendien zowel numeriek, theoretisch, als experimenteel onderzoek. Het meest fundamentele onderzoek zal vooral bestaan uit numerieke analyse waarmee een derde discipline (wiskunde) intensief zal worden ingezet. Het experimentele onderzoek zal bestaan uit het verifiëren van de numerieke modellen en de nieuwe theorie van Lohse.

Lohse: “Wanneer we uiteindelijk de dynamiek op nanoschaal begrijpen, is het uiteindelijk de bedoeling dat we dit ook op grotere schaal kunnen gaan toepassen. Toegevoegde waarde van het onderzoek is daarbij onder meer te vinden in de 'klassieke' toepassingen in de verf- en voedingsmiddelenindustrie, maar zal ook voordelen opleveren voor chemische analyse en diagnostiek op microschaal en bij de vorming van kristallen. Eenvoudig omdat we met het onderzoek onze kennis op het vlak van onder andere de wisselwerking tussen capillaire effecten, coatings en oppervlakte-actieve substanties vergroten. De toekomst zal leren waar we precies uitkomen." 

 

VOORBEELDEN UIT HET DAGELIJKSE LEVEN

Detlef Lohse (die in september 2018 nog de Balzanprijs in ontvangst mocht nemen, red) maakt bij het uitleggen van complexe processen graag gebruik van voorbeelden uit het dagelijkse leven. “Onder andere het glas water met belletjes en het fenomeen dat ouzo troebel wordt wanneer je water toevoegt, spreken iedereen aan en zullen bij veel wetenschappers ergens de vraag losmaken: maar hóe dan?

latte macchiato
De scheiding in lagen bij Latte macchiato blijkt enkel mogelijk als de espresso met een voldoende hoge snelheid wordt toegevoegd

Een ander mooi voorbeeld om over na te denken betreft de opbouw van de verschillende lagen van een latte macchiato. Dit type koffie wordt gemaakt door hete espresso door een hete, opgeklopte melklaag te gieten, waarbij de vloeibare melk onderop blijft en de espresso zich door de opgeklopte melk tussen deze twee lagen 'nestelt'." Deze scheiding in lagen blijkt uitsluitend mogelijk te zijn wanneer de espresso met een voldoende hoge snelheid wordt toegevoegd. “Wetenschappers vonden een waarde van ongeveer 0,2 m/s gebaseerd op een model waarin gebruik werd gemaakt van twee zoutoplossingen met een verschillende dichtheid. Naast dichtheid (en hiermee opwaartse kracht) speelt hier ook de temperatuur van zowel de vloeistoffen als het glas en zijn omgeving een rol. In een strijd om het juiste evenwicht ontstaan zijdelingse stromen waarbij de relatief koude drank aan de zijkant van het glas naar het centrum stroomt en er horizontale lagen staan die urenlang in stand kunnen blijven."