Zo’n 150 jaar geleden stelde Josiah Willard Gibbs dat maximaal drie toestandfases tegelijkertijd bestaan. Bij smeltend ijs heb je water zowel in vaste, vloeibare als gasvormige fase. Er waren/zijn onderzoekers die er van uit gingen dat meer ook onmogelijk was. Nu hebben onderzoekers van, onder meer, de TU Eindhoven laten zien dat een vijffasensysteem in evenwicht mogelijk is. Dag faseregel van Gibbs? Die ontdekking zou gevolgen kunnen hebben voor de productie van ‘moeilijke’ mengsels als mayonaise, verf of vloeibaarkristalschermen.Gibbs wordt gezien als de aartsvader van de thermodynamica en fysische chemie. In de jaren 70 van de negentiende eeuw ontwikkelde hij een fasenregel die stelt dat zuivere stoffen maar maximaal drie fasetoestanden tegelijkertijd kunnen voorkomen. Volgens Remco Tuinier van de TU Eindhoven was de thermodynamica van Gibbs de enige theorie die Eindstein vertrouwde. “Als we water als voorbeeld nemen bij een bepaalde druk en temperatuur kan dat tegelijker tijd in vaste, vloeibare en gasvorm bestaan bij het zogeheten tripelpunt (waar de drie fases elkaar raken in het fasediagram; as).” Zij collega Mark Vis noemt de fasenregel van Gibbs keihard. “Die is altijd overeind blijven staan.”

Tot nu toe. Tuinier en collega’s hebben echter aangetoond dat omstandigheden vier fases tegelijkertijd mogelijk zijn. Er is zelfs een punt waarop het mogelijk is dat er vijf verschillende fases naast elkaar bestaan: een gasfase, twee vloeibaarkristalfases en twee vastestoffases met ‘gewone’ kristallen. Dat zou nog nooit eerder gezien zijn. Vis: “Het is voor het eerst dat blijkt dat de fasenregel van Gibbs niet meer opgaat.”

Vorm

Het punt zou de vorm van de deeltjes in het mengsel zijn. Gibbs hield daar geen rekening mee. Lengte en diameter, zo bleek de onderzoekers, spelen een belangrijke rol. Tuinier: “In aanvulling op de bekende variabelen temperatuur en druk komen er twee bij: de lengte van de deeltjes in verhouding tot hun diameter en de diameter ten opzichte van de diameter van andere deeltjes in de oplossing (?; as).”

In hun theoretische modellen werkten de onderzoekers met een mengsel van twee substanties in een oplosmiddel: staafjes en polymeren. Dat heet een colloïdaal systeem waarbij de deeltjes vast en het medium vloeibaar is. De deeltjes kunnen uiteraard niet dezelfde ruimte innemen en wisselwerken (dus). Tuinier: “Dit wordt ook het uitgesloten volume-effect genoemd. Het maakt dat de staafjes bij elkaar willen zitten. Ze worden als het ware door de polymeerketens naar elkaar geduwd. Op die manier krijg je delen in het mengsels met vooral staafjes en delen die rijk zijn aan polymeren. De staafjes zakken dan naar de bodem aangezien ze zwaarder zijn. Dat is het begin van de scheiding waarbij fases ontstaan.”

Het onderste deel met voornamelijk staafjes wordt uiteindelijk zo dichtbezet dat ze wisselwerken. Daardoor nemen ze een voorkeurspositie in zodat ze elkaar niet in de weg zitten met de staafjes naast elkaar. Uiteindelijk krijg je dan vijf fases, zoals gezegd. De gasfase met ongeordende staafjes bovenop, een vloeistoffase met min of meer parallelle staafjes (nematische vloeibare kristallen), een met staafjes in verschillende lagen (smectische vloeibare kristallen en twee vaste fases op de bodem.

Mayonaise

Vis: “Ons onderzoek is een bijdrage aan de fundamentele kennis van dit soort faseovergangen en helpt beter te begrijpen en preciezer te voorspellen wanneer die overgang plaatsvindt.” Die zou op veel gebieden zijn nut kunnen bewijzen zoals bij het rondpompen van complexe mengsels als mayonaise en verf of bij de ijsvorming op auto’s of op de weg.
Ook voor vloeibare kristallen in beeldschermen zou die kennis nuttig kunnen zijn. Volgens Vis werken veel bedrijven met eenfasesystemen. Hij denkt dat als de faseovergangen duidelijk beschreven kunnen worden die bedrijven verschillende fases kunnen gebruiken in plaats van ze te voorkomen.

Eigenlijk was het een beetje toeval dat ze op die vijf fases uitkwamen. Bij het simuleren van het proces (met plaatjes en polymeren) zagen onderzoekers al een vierfasenevenwicht. Een van de onderzoekers kwam naar Tuinier toe en vroeg hem wat hij fout had gedaan “Vier kon niet goed zijn.” De onderzoekers gingen toe experimenteren met verschillende vormen zoals kubussen en ook staafjes. “Met staafjes vonden we zelfs een vijfasenevenwicht. Dat zou kunnen betekenen dat er meer mogelijk is, als je maar lang genoeg naar ingewikkelde vormen zoekt.”

Bron: EurekAlert