Dubbel-diffusieve convectie

Datum: Februari 2008

Materiaal:

  • Balans
  • Water
  • Petrischaal
  • Melkpoeder
  • Pipet
  • Digitale camera
  • Zwart papier

Uitvoering:

  • Maak een zo geconcentreerd mogelijke oplossing van melkpoeder in water (20-35%).
  • Plaats de petrischaal op het zwarte papier. Het geheel geplaatst op een stabiele ondergrond.
  • Vul de petrischaal met water (3-10 mm hoogte)
  • Injecteer mbv een pipet 40 ul op de bodem van de petrischaal. Probeer zo gelijkmatig mogelijk te injecteren.
  • Laat de petrischaal staan.
  • Maak regelmatig een foto.

Resultaten

 De ontwikkeling weergegeven in een serie foto's:

We zien dat vanuit een amorfe vlek ragfijne structuren ontstaan.
Resultaten van verschillende experimenten:


(kleiner schaaltje)

 

Discussie en conclusie:

Het fenomeen dat we hier observeren wordt verklaard door het optreden van dubbel-diffusieve convectie. De surfactant moleculen, opgebouwd uit een hydrofobe staart en een hydrofiele kop, rangschikken zichzelf in moleculaire aggregaten die we micellen noemen. De hydrofobe ketens zitten aan de binnenkant van het micel terwijl de kopgroepen zich in het micel-water interface bevinden. De suiker in het melkpoeder heeft een grotere dichtheid dan water , terwijl de micellen een lagere dichtheid dan water hebben. Het totale mengsel is zwaarder dan water zit daarom stabiel op de bodem. De kleine microscopische fluctuaties aan het interface (die altijd aanwezig zijn) zorgen voor zich opwaarts bewegende protrusies (uitpuiling) die door diffusie de suikers snel kwijt raken. terwijl de micellen achter blijven aangezien deze groter zijn en daardoor veel langzamer diffunderen dan de suikermoleculen. Door het verlies aan suikers beweegt de protrusie zich naar boven omdat de micellen lichter zijn dan water. In dit geval groeien de protrusies uit naar naaldachtige structuren.
Kort nadat de opwaartse groei plaatsvindt bewegen de naalden zich ook radiaal naar buiten. Deze radiale groei vindt plaats omdat de originele druppel die we geplaatst hebben zich onder invloed van de zwaartekracht naar buiten gericht beweegt. Daardoor ontstaat een schuivende kracht (shear force) die een radiale naar buiten gerichte flow van het omringde water veroorzaken. De naalden volgen deze flow langs de bodem van de schaal.

 

Opmerkingen:

  • I.p.v. een petrischaal kan men ook een ander schaaltje gebruiken.

  • Experimenteer met verschillende concentraties en schaaltjes groottes.

  • Men leest in de kranten en literatuur wel eens kretologie zoals "self assembling nano structures", etc., etc. Dit experiment laat een proces zien waarop een dergelijke kretologie gebaseerd zou kunnen zijn.

  • Dit experiment is ook uitermate geschikt om op een overhead projector uit te voeren.

  • Ik heb ook observaties gedaan met mijn Pen-Scope op 50x en IntelQX3 op 10x vergroting maar kon geen structuurontwikkeling waarnemen.

Literatuur:

  • Mario Markus, Richard W. Schaeffer; "Double-Diffusive Convection: A Simple Demonstration"; Journal of Chemical Education; 81 4 2004; p. 526-529.
  • K. Kotter, M. Markus; "Double-diffusive fingering instability of a surfactant-glycerine-water drop in water"; Europhysics Letters; 55 6 2001; p. 807-313. 

Achtergrondinformatie:

Dubbel diffusieve convectie

Algemene beschrijving:
 Dit type convectie treedt in een medium (M) bevattende een laag (L). L is opgebouwd uit een mengsel van twee diffunderende stoffen, A en B, met de volgende eigenschappen:
1. het mengsel van A en B is in positie die stabiel is tov de zwaartekracht. L drijft als het een lagere dichtheid heeft dan M. Anders blijft het op de bodem van M.
2. A is in termen van zwaartekrachtpositie onstabiel  in afwezigheid van B.
3. B is in termen van zwaartekrachtpositie stabiel in afwezigheid van A.
4. B diffundeert sneller dan A.
Als het interface tussen L en M perfect vlak blijft gebeurt er niets. Er zijn echter altijd microscopische fluctuaties en daardoor zal een protrusie van L in M ontstaan. Dit beetje L zal echter door de snelle diffusie van B een veel lagere concentratie B krijgen, doordat het zwaartekracht onstabieler A achterblijft vergroot de protrusie zich: convectief transport van A treed op.    

 
Dubbel-diffusieve convectie zoals deze hierboven beschreven is een alomtegenwoordig fenomeen in wetenschap en technologie. Een bekend voorbeeld is het zouttransport in oceanen. De bovenste regionen worden verwarmd door de zon zodat de zoutconcentratie toeneemt door verdamping van het water. We krijgen nu de omgekeerde situatie dan in het experiment hierboven beschreven staat. Vervang de micellen door zoutionen, vervang S door warmte en neem aan dat de bovenste warmere en zoutere regionen een hogere dichtheid hebben dan de koudere die dichter bij de bodem liggen. Er ontstaan zgn. "zoutvingers" waarvan men denkt dat deze het belangrijkste mengproces in de oceanen zijn. De zoutvingers bewegen naar beneden en het koudere minder zoute water beweegt omhoog. In meer afgesloten ruimtes waar dit proces optreedt kunnen zelfs convectiecellen ontstaan. 
In een recente uitgave van Explore staat een experiment beschreven dat fenomeen van dubbel-diffusieve convectie demonstreert zoals het bij zoutvingers optreedt:
Evert Glebbek, Matteo Cantiello; "Zakkende zoutvingers"; Explore; Februari 2008; p. 14.

 

11-02-2008