Wetenschappers hebben een innovatieve methode ontwikkeld om de metamorfose van vloeistoffen onder negatieve druk te bestuderen door ze in optische vezels in te kapselen. De technologie biedt een eenvoudigere manier om druk te meten met behulp van licht- en geluidsgolven, wat de weg vrijmaakt voor nieuwe ontdekkingen in de thermodynamica en chemische reacties. Als fysieke grootheid bestaat druk op verschillende gebieden: atmosferische druk in de meteorologie, bloeddruk in de geneeskunde, en zelfs snelkookpannen en vacuümverpakte voedingsmiddelen in het dagelijks leven.


Artistieke impressie van een glazen capillair gevuld met vloeistof. Door vloeistoffen in optische vezels in te kapselen, observeerden en maten wetenschappers het negatieve drukeffect met behulp van geluidsgolven als sensoren. Bron afbeelding: ©LongHuyDao

Druk wordt gedefinieerd als de kracht per oppervlakte-eenheid loodrecht op het oppervlak van een vaste stof, vloeistof of gas. Afhankelijk van de krachtrichting in een gesloten systeem kunnen extreem hoge drukken in extreme gevallen tot explosieve reacties leiden, terwijl extreem lage drukken in een gesloten systeem ervoor kunnen zorgen dat het systeem zelf implodeert.

Overdruk verwijst altijd naar een gas of vloeistof die de wanden van een container van binnenuit samendrukt, zoals een ballon die uitzet als er meer lucht wordt toegevoegd. Ongeacht hoge of lage druk, onder normale omstandigheden is de numerieke waarde van druk altijd positief.

Vloeistoffen hebben echter een bijzondere eigenschap. Ze kunnen bestaan ​​in een specifieke variabele toestand die overeenkomt met de negatieve drukwaarde. In deze variabele toestand kunnen zelfs kleine invloeden van buitenaf ervoor zorgen dat het systeem in de ene of de andere toestand terechtkomt. Zie het alsof je bovenop een achtbaan zit: een lichte aanraking van de ene of de andere kant zorgt ervoor dat je van de baan valt.

In het huidige onderzoek bestuderen de wetenschappers de metamorfose van vloeistoffen onder negatieve druk. Daartoe combineerde het onderzoeksteam twee unieke technieken om verschillende thermodynamische toestanden te meten in een studie gepubliceerd in Nature Physics.

Ten eerste worden kleine hoeveelheden vloeistof (nanoliters) ingekapseld in een volledig omsloten optische vezel, waardoor deze zowel hoge positieve als negatieve druk kan hebben. Vervolgens kunnen door de speciale interactie van licht en geluidsgolven in de vloeistof de effecten van druk en temperatuur in verschillende toestanden van de vloeistof gevoelig worden gemeten. Geluidsgolven fungeren als sensoren die negatieve drukwaarden detecteren en deze unieke toestand van materie met hoge precisie en gedetailleerde ruimtelijke resolutie onderzoeken.

(Van links naar rechts) Onderzoeksteamleider Birgit Stiller met Andreas Geilen en Alexandra Popp in het laboratorium. Bron afbeelding: ©FlorianRitter,MPL

Effecten van negatieve druk en meettechnieken

Het effect van negatieve druk op de vloeistof kun je je als volgt voorstellen: Volgens de wetten van de thermodynamica zal het volume van de vloeistof afnemen, maar de vloeistof zal worden beïnvloed door de adhesiekracht in het glasvezelcapillair, net zoals waterdruppels aan je vingers blijven plakken. Hierdoor gaat de vloeistof "uitrekken". De vloeistof wordt uit elkaar getrokken, alsof een elastiekje wordt uitgerekt.

Het meten van deze exotische staat vereist vaak geavanceerde apparatuur en verhoogde veiligheidsmaatregelen. Hoge druk is een gevaarlijke klus, vooral bij giftige vloeistoffen. Het koolstofdisulfide dat door de onderzoekers in dit onderzoek wordt gebruikt, is zo'n vloeistof. Vanwege deze complexiteit vereisten eerdere meetapparaten die werden gebruikt om onderdruk te genereren en te bepalen een grote hoeveelheid laboratoriumruimte en veroorzaakten ze zelfs storingen in systemen in stabiele toestand.

Met behulp van de methode die in dit artikel wordt beschreven, hebben onderzoekers een klein, eenvoudig apparaatje ontwikkeld dat zeer nauwkeurige drukmetingen kan doen met behulp van licht- en geluidsgolven. De optische vezel die hiervoor wordt gebruikt, is slechts zo dik als een mensenhaar.

Opmerkingen van onderzoekers

"Wanneer nieuwe meetmethoden worden gecombineerd met nieuwe platforms, worden sommige fenomenen die moeilijk te onderzoeken zijn met gewone en gevestigde methoden verrassend toegankelijk. Ik vind dit erg spannend", zegt Dr. Birgit Stiller, hoofd van de onderzoeksgroep Quantum Photoacoustics bij MPL. Het onderzoeksteam gebruikte geluidsgolven die zeer gevoelig kunnen zijn om veranderingen in temperatuur, druk en spanning langs de optische vezel te detecteren. Bovendien kunnen er ruimtelijk opgeloste metingen worden gedaan, wat betekent dat de geluidsgolven een beeld kunnen geven van wat er in de vezel gebeurt met een resolutie op centimeterniveau over de lengte ervan.

"Onze methode stelt ons in staat een dieper inzicht te krijgen in de thermodynamische afhankelijkheden van dit unieke glasvezelsysteem", zegt Alexandra Popp, een van de twee hoofdauteurs van het artikel.

Een andere hoofdauteur, Andreas Geilen, voegde hieraan toe: "De metingen brachten enkele verrassende effecten aan het licht. De waarnemingen van de negatieve druktoestand worden heel duidelijk als we kijken naar de frequentie van de geluidsgolven."

Mogelijke toepassingen en slotopmerkingen

Het combineren van foto-akoestische metingen met goed afgesloten capillaire vezels zou kunnen leiden tot nieuwe ontdekkingen in het monitoren van anderszins moeilijk te bestuderen materialen en chemische reacties van giftige vloeistoffen in microreactoren. Het kan doordringen in nieuwe en ontoegankelijke gebieden van de thermodynamica.

Professor Markus Schmidt van de IPHT Jena en Dr. Mario Chemnitz, ook van de IPHT Jena, benadrukken: "Dit nieuwe platform van volledig afgedichte vezels met vloeibare kern maakt toegang tot hoge drukken en andere thermodynamische omgevingen mogelijk. Het is zeer zinvol om de niet-lineaire optische verschijnselen in deze vezel te bestuderen of zelfs verder aan te passen."

Deze verschijnselen kunnen voorheen onontgonnen potentiële nieuwe eigenschappen ontsluiten in de unieke thermodynamische toestand van het materiaal.

Birgit Stiller concludeert: "Onze onderzoeksgroepen in Erlangen en Jena werken op een unieke manier samen op basis van hun respectievelijke expertise om nieuwe inzichten te verkrijgen in thermodynamische processen en toestanden op een klein en eenvoudig te bedienen optisch platform."