EO

150 jaar oude regel voor fasen-gedrag doorbroken

22 september 2020 om 16:18 uur

Vijf-fasen evenwicht met bovenaan een gasfase met niet gerangschikte staafjes (een isotrope fase), daarna een vloeibare fase met staafjes die ongeveer dezelfde kant op wijzen (nematisch vloeibaar kristal), vervolgens een vloeibare fase met staafjes die in verschillende lagen liggen (smectisch vloeibaar kristal), en twee vaste fasen onderaan. Beeld: ICMS animatie studio

Bevroren water kan als het smelt maximaal drie vormen tegelijkertijd aannemen: vloeistof, ijs en gas. Dit principe is 150 jaar geleden beschreven in de Gibbs-fasenregel. Onderzoekers van de TU Eindhoven en universiteit Paris-Seclay doorbreken nu deze klassieke theorie. Ze bewijzen een vijf-fasen-evenwicht, iets wat veel geleerden voor onmogelijk hielden. Deze nieuwe kennis is nuttig voor industrieën die werken met complexe mengsels, zoals bij de productie van mayonaise, verf of LCD’s.


De onderzoekers publiceerden hun resultaten in het vakblad Physical Review Letters.

 

De grondlegger van de hedendaagse thermodynamica en fysische chemie is de Amerikaanse natuurkundige Josiah Willard Gibbs. Hij voorspelde in de jaren 1870 de fasenregel, die beschrijft hoeveel verschillende fasen een stof of mengsel van stoffen maximaal tegelijkertijd kan aannemen. Voor veel stoffen voorspelt de Gibbs-fasenregel maximaal 3 fasen.

 

Hoogleraar Remco Tuinier van het TU/e Institute for Complex Molecular Systems: "Einstein noemde de thermodynamica van Gibbs destijds de enige theorie die hij écht vertrouwde. Nemen we de stof water als voorbeeld, dan is er één punt, met een specifieke temperatuur en druk, waarbij water tegelijkertijd als gas, vloeistof en ijs voorkomt. Het zogenoemde tripel-punt." Universitair docent Mark Vis vult aan: "Deze klassieke Gibbs-fasenregel staat als een huis en het is nog nooit aangetoond dat je deze kunt ‘doorbreken'."

 

Vorm speelt een rol 

Het mengsel dat de onderzoekers bestudeerden, zou volgens deze fasenregel eveneens op één specifiek punt maximaal drie fasen tegelijkertijd vertonen. Maar zij laten nu zien dat er bij dit mengsel een hele reeks van omstandigheden is waarbij er vier fasen tegelijk bestaan. Er is zelfs één punt waarbij er vijf fasen bestaan. Twee teveel dus, volgens Gibbs. Op dat specifieke ene punt, ook wel een vijf-fasen-evenwicht genoemd, bestaan er tegelijk een gasfase, twee vloeibaarkristalfasen, en twee vaste fasen met ‘gewone' kristallen. En dat is nog nooit eerder vertoond. "Daarmee hebben wij voor het eerst deze beroemde regel van Gibbs ‘doorbroken'," zegt Vis.

 

De crux zit hem in de vorm van de deeltjes in het mengsel. Gibbs liet die buiten beschouwing, maar de Eindhovense wetenschappers tonen nu aan dat juist de specifieke lengte en diameter van de deeltjes een grote rol speelt. Tuinier: "Naast de bekende variabelen temperatuur en druk, krijg je zo nog twee extra variabelen: de lengte van het deeltje ten opzichte van zijn diameter, en de diameter van het deeltje ten opzichte van de diameter van andere deeltjes in de oplossing."

 

Gerangschikte staafjes

In hun theoretische modellen werkten de onderzoekers met een mengsel van twee stoffen in een oplosmiddel: staafjes en polymeren. Dat wordt ook wel een colloïdaal systeem genoemd, waarbij de deeltjes vast zijn en het medium vloeibaar. Omdat de deeltjes niet precies dezelfde ruimte kunnen innemen, gaan ze een interactie met elkaar aan. "Dat wordt ook wel het uitgesloten volume-effect genoemd; het zorgt ervoor dat de staafjes bij elkaar willen zitten. Ze worden als het ware naar elkaar toe geduwd door de polymeerketens. Zo krijg je in het mengsel een gedeelte waar vooral staafjes zitten, en een gedeelte dat rijk is aan polymeren," aldusTuinier.

 

Hij vervolgt: "De staafjes zakken dan naar de bodem, omdat ze meestal zwaarder zijn. Dat is het begin van ontmenging, waardoor er fasen gaan ontstaan." Het onderste gedeelte met vooral staafjes wordt op den duur zo druk, dat de staafjes elkaar gaan hinderen. Ze nemen dan een voorkeurspositie in, zodat ze elkaar minder in de weg zitten.

 

Bij de staafjes ziet dat eruit als een nette rangschikking naast elkaar. Je krijgt dan uiteindelijk vijf verschillende fasen, een gasfase met niet gerangschikte staafjes bovenaan (een isotrope fase), een vloeibare fase met staafjes die ongeveer dezelfde kant op wijzen (nematisch vloeibaar kristal), een vloeibare fase met staafjes die in verschillende lagen liggen (smectisch vloeibaar kristal), en twee vaste fasen onderaan.

 

Mayonaise en beeldschermen

Vis: "Ons onderzoek draagt bij aan de fundamentele kennis over dit soort faseovergangen en helpt om preciezer te kunnen begrijpen en voorspellen wanneer dit soort overgangen optreden." En dat is nuttig op tal van gebieden. Denk aan het rondpompen van complexe mengsels in reactoren in de industrie, het maken van ingewikkelde producten zoals bij colloïdale mengsels als mayonaise en verf, of het vormen van ijs op autoruiten en ijzel op de weg.

 

Zelfs in vloeibare kristallen in beeldschermen spelen deze processen een rol. "De meeste industrieën kiezen ervoor om te werken met een één-fase-systeem, waar er dus geen ontmenging plaatsvindt. Maar als de precieze overgangen duidelijk beschreven zijn, dan kan de industrie die verschillende fasen juist gebruiken, in plaats van ontwijken," aldus Vis.

 

Gerelateerd nieuws

Wat is onderzoeksgeld waard: metamaterialen, een hitteschild of lignine-arm hout?

Wat is onderzoeksgeld waard: metamaterialen, een hitteschild of lignine-arm hout?

Metamaterialen, een hitteschild of lignine-arm hout. Wat wil jij graag onderzocht hebben? Tot maandag 3 mei 23.00 uur kun je stemmen op je favoriete New Scientist Wetenschapstalent 2021.

De vernietigende kracht van bellen beperken

De vernietigende kracht van bellen beperken

Onderzoekers hebben belangrijke vragen beantwoord om schade te helpen voorkomen en de veiligheid te verbeteren van hydraulische systemen die worden gebruikt voor pijpleidingen, waterturbines en andere toepassingen

Belvorming op elektroden beheersen

Belvorming op elektroden beheersen

Het gebruik van elektriciteit om water te splitsen in waterstof en zuurstof kan een effectieve manier zijn om schone waterstof te produceren, met verdere voordelen als die elektriciteit wordt opgewekt uit hernieuwbare…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

18 mei 2021, 18, 19 en 20 mei 2021

Machineveiligheid in vogelvlucht (online training)

18 mei 2021, online

The Battery Show & EV Tech Europe Digital Days

A conference and trade fair focused on keeping up with developments in the advanced battery and...

20 mei 2021

De elektrische installatie: meten en beheersen

Online seminar door Hyteps

Meer agendapunten »