Beyond capillary condensation: Shear-induced bridging transitions in patterned slits

Stel je een vloeistof voor die gevangen zit tussen twee wanden, zoals water dat in een nauwe spleet wordt geperst. In de wereld van de natuurkunde verandert deze opsluiting de manier waarop de vloeistof zich gedraagt. Onder normale omstandigheden, als je een gas in een nauwe ruimte perst, verandert het in een vloeistof bij een lagere druk dan in een grote, open ruimte. Dit is een bekend fenomeen genaamd capillaire condensatie, waarbij de wanden de moleculen naar elkaar toe trekken totdat ze samenvallen in een vloeibare staat. Echter, de zaken worden veel ingewikkelder wanneer de wanden zelf niet uniform zijn. Als de ene wand graag nat wil zijn en de andere liever droog blijft, worstelt de vloeistof met de beslissing wat te doen. In plaats van een eenvoudige overgang van gas naar vloeistof, kan de vloeistof vreemde, uitgerekte vormen aannemen, zwevend in een staat van spanning die noch volledig het een, noch het ander is. Dit delicate evenwicht is het startpunt voor het begrijpen van hoe vloeistoffen zich gedragen in de minuscule, technisch vervaardigde ruimtes die in de moderne technologie en de natuur voorkomen.

Een team onderzoekers heeft nu onderzocht wat er gebeurt wanneer dit conflict wordt geïntensiveerd door een specifieke vorm van beweging. Ze bestudeerden een vloeistof die opgesloten zit tussen twee parallelle wanden die voorzien zijn van afwisselende strepen van twee verschillende materialen. Eén set strepen was ontworpen om de vloeistof aan te trekken, terwijl de andere set de vloeistof afstoot. De cruciale wending in hun experiment was dat ze de strepen op de bovenste wand niet perfect uitgelijnd hielden met de strepen op de onderste wand. In plaats daarvan lieten ze de bovenste wand zijwaarts verschuiven, een beweging die bekend staat als 'shear' (afschuiving), zodat de aantrekkende strepen aan de ene kant tegenover de afstotende strepen aan de andere kant kwamen te staan, of misschien tegenover het midden van een streep. Deze eenvoudige handeling van het verschuiven van de wanden creëerde een complexe competitie. De vloeistof wilde condenseren tot een vloeistof waar de wanden aantrekkelijk waren, maar de misuitlijning dwong de vloeistof om zich over de spleet uit te rekken, waardoor een brug ontstond die door een landschap van tegenstrijdige krachten moest navigeren.

De onderzoekers ontdekten dat deze competitie leidde tot een verrassend rijke variëteit aan toestanden voor de vloeistof. Afhankelijk van de breedte van de spleet en de mate van zijwaartse verschuiving, veranderde de vloeistof niet simpelweg van gas naar vloeistof. In plaats daarvan vormde het specifieke "brugfases" waarbij de vloeistof de twee wanden verbond in specifieke, stabiele patronen. In sommige gevallen was de vloeistofbrug stevig verankerd aan de randen waar de materialen veranderden, vastgezet zoals een tentnagel. In andere gevallen was slechts één uiteinde van de brug verankerd, terwijl het andere uiteinde vrij was om langs de wand te glijden, waarbij het de wand raakte onder een specifieke hoek. Er waren zelfs toestanden waarin de brug volledig vrij was om heen en weer te glijden totdat hij een grens raakte, een conditie die alleen optrad wanneer de druk exact op het punt lag waar de bulkvloeistof normaal gesproken verzadigd zou zijn. Deze verschillende toestanden waren niet slechts kleine variaties; ze vertegenwoordigden geheel andere fasen van materie, gescheiden door scherpe overgangen die met precisie voorspeld konden worden.

De studie onthulde dat het gedrag van de vloeistof werd beheerst door een delicaat samenspel tussen de breedte van de spleet en de hoeveelheid zijwaartse verschuiving. Wanneer de spleet breed was, gedroeg de vloeistof zich relatief rechtlijnig door direct van gas naar vloeistof te condenseren. Echter, naarmate de spleet nauwer werd of de verschuiving toenam, werd de vloeistof gedwongen in deze tussenliggende brugtoestanden. De onderzoekers ontdekten dat er specifieke drempels waren waar de vloeistof plotseling van het ene type brug naar een ander overging. Bijvoorbeeld, een brug die aan beide uiteinden volledig verankerd was, kon plotseling gedeeltelijk verankerd worden, waarbij één uiteinde loslaat en gaat glijden. Deze veranderingen vonden plaats bij precieze drukken, die het team berekende met aangepaste versies van klassieke natuurkundige vergelijkingen die rekening houden met de gebogen vorm van het vloeistofoppervlak en de specifieke hoeken waaronder het de wanden raakt.

Om te verzekeren dat hun voorspellingen niet slechts theoretische gissingen waren, bouwden de onderzoekers een gedetailleerd computermodel dat de vloeistof simuleerde op het niveau van individuele moleculen. Dit microscopische perspectief bevestigde dat hun macroscopische voorspellingen correct waren. De simulaties toonden aan dat de vloeistofbruggen inderdaad de voorspelde vormen aannamen, waarbij het meniscus, of het gebogen oppervlak van de vloeistof, specifieke vormen aannam afhankelijk van de shear. In de meest extreme gevallen, waar de wanden aanzienlijk waren verschoven, bleef de vloeistofbrug sterk gebogen, zelfs toen de druk zeer dicht bij het punt lag waar de vloeistof een platte vloeistof zou moeten worden. Deze afwijking van het verwachte platte oppervlak benadrukte de krachtige invloed van de moleculaire krachten die in het spel zijn. De computermodellen stelden het team ook in staat om de fluctuaties van de vloeistof langs de lengte van de brug te meten, waarbij zij ontdekten dat deze fluctuaties veel groter waren dan verwacht naarmate de spleet nauwer werd, een teken dat de vloeistof zich in een hooggevoelige, onstabiele staat bevond.

De bevindingen suggereren dat het gedrag van vloeistoffen in gegepatternde ruimtes veel complexer en gevarieerder is dan voorheen gedacht. Door simpelweg de uitlijning van chemische patronen op een wand te verschuiven, is het mogelijk om een hele nieuwe familie van vloeistoftoestanden te creëren, elk met zijn eigen unieke eigenschappen. De onderzoekers identificeerden in totaal zes verschillende fasen, variërend van een eenvoudig gas tot een volledig vloeibare staat, met daartussen vier verschillende typen brugtoestanden. Deze toestanden worden gescheiden door overgangen die ofwel plotseling en scherp, ofwel vloeiend en continu kunnen zijn, afhankelijk van de exacte geometrie van de opstelling. Het werk laat zien dat men, door de controle over het patroon en de shear, de vloeistof effectief kan afstemmen om in een gewenste staat te bestaan, wat een nieuwe manier biedt om materie op de kleinste schaal te manipuleren.

Dit onderzoek opent de deur naar een dieper begrip van hoe vloeistoffen zich gedragen in beperkte, technisch vervaardigde omgevingen. Het vermogen om deze brugfasen te voorspellen en te controleren kan implicaties hebben voor elke technologie die afhankelijk is van vloeistofbeweging door minuscule kanalen, zoals microfluïdische apparaten of geavanceerde filtratiesystemen. De studie toont aan dat de regels die vloeistoffen in nauwe ruimtes beheersen niet vaststaan, maar kunnen worden herschreven door de geometrie van de container zelf. Zoals de onderzoekers opmerkten, zijn soortgelijke fenomenen waarschijnlijk ook in nog complexere geometrieën, waar de patronen op de wanden mogelijk niet perfect uitgelijnd zijn of onregelmatige vormen hebben. In deze meer chaotische omgevingen zou het aantal mogelijke vloeistoftoestanden drastisch kunnen toenemen, wat een landschap van mogelijkheden creëert dat pas net begint te worden verkend. Het werk is een bewijs van het idee dat de natuur, zelfs in de meest beperkte ruimtes, een manier vindt om complexiteit te creëren, en dat door het begrijpen van de regels van deze complexiteit, we kunnen leren deze te beheersen.