De Mexicaanse griep veroorzaakt op het moment nogal wat commotie. Hoewel er zeker (nog) geen sprake is van een pandemie is de angst daarvoor wel groot. De Spaanse griep heeft in 1918 naar schatting 20 tot 100 miljoen doden veroorzaakt, en zo’n 20% van de wereldbevolking is besmet geweest. Niet gek, dat men bang is.
Lijkt het jou eens leuk om voor virus te spelen en daarmee de wereld te vernietigen? Check dan dit spelletje!
Ben jij 8 tot 14 jaar en heb je morgen niks te doen? Wil jij ook wel eens weten hoe het is om een wetenschapper te zijn? Kans maken op een ontmoeting met een scheikundejongen? Morgen (zondag 19 april) in het Universiteitsmuseum Utrecht organiseert Culturele Zondagen een dag ontdekken en proberen. Ook voor ouders en andere belangstellenden. De begeleidende opdrachten zijn echt heel leuk voor andere geïnteresseerden dan de kinderen. Het programma is van 12.00 tot 16.00 uur en de toegang is gratis. Meer informatie vind je op de site, waar onder andere deze promo staat:
Beweeg een vloeistof met een magneet, ontdek nieuwe planeten met een speciale bril en leer door te sporten over onderzoek naar medicijnen! In het Universiteitsmuseum en in museum & sterrenwacht Sonnenborgh krijgen kinderen van 8 tot 14 jaar vandaag de kans om in één dag te worden opgeleid tot wetenschapper. Uitdagende activiteiten en verwonderende experimenten leiden je door het nieuwste Utrechtse bètaonderzoek. Ook is er de hele middag spannend sciencetheater! Als je de opdrachten volbrengt, wacht je behalve een diploma ook nog een mooie verrassing. Bovendien zullen de diploma’s worden uitgereikt door Nobelprijswinnaar professor Gerard ’t Hooft!
edit: Ik heb de begeleidende opdrachten in .pdf format en toestemming gekregen om ze hier te linken.
Er bestaan waterdiertjes – zoals de vijverloper – die letterlijk op water kunnen staan. Dit danken zij aan de oppervlaktespanning van water. Ons mensen lukt dat niet: daarvoor zijn we te zwaar. In de winter kun je, als het een tijdje stevig vriest, wél over water lopen of schaatsen. Maar dat is natuurlijk flauw, want ijs is geen vloeistof.
Wat wel kan is lopen over een mengsel van maïzena (maiszetmeel) en water. Dit mengsel is een niet-Newtoniaanse vloeistof. Dit betekent dat de stroperigheid (met een duur woord viscositeit) afhangt van de kracht die je op zo’n vloeistof uitoefent. Ook de snelheid waarmee je die kracht uitoefent, maakt uit. Er bestaan vloeistoffen waarbij de viscositeit toeneemt bij grotere krachten, maar ook waarbij die afneemt. Bij het mengsel van maïzena en water neemt de viscositeit enorm toe als je snel een grote kracht uitoefent. Sla je dus hard op zo’n mengsel, dan wordt het oppervlak hard en veert je hand terug. Je kunt er zelfs overheen lopen.
Wanneer, zoals bij maïzena, de viscositeit hoger wordt als je een kracht uitoefent, noemen we dit shear thickening. Gebeurt het omgekeerde en wordt de vloeistof minder stroperig, dan heet dat shear thinning. (Een correcte Nederlandse vertaling voor deze benamingen heb ik helaas niet kunnen vinden.)
Shear thinning wordt in de praktijk heel veel gebruikt. Neem bijvoorbeeld verf. Dat wil je gemakkelijk kunnen roeren en gemakkelijk op de muur kunnen aanbrengen. Maar als het eenmaal op de muur zit, mag het er niet vanaf druipen. Verf heeft dus, in stilstand, een hele hoge viscositeit. Ga je krachten uitoefenen, dan wordt het een stuk minder stroperig. Ook ketchup, mayonaise, haargel, tandpasta en bloed zijn voorbeelden van producten waarbij het erg prettig is dat ze deze eigenschap hebben.
Ook shear thickening kun je zelf ervaren. Niet alleen kun je maïzena met water mengen, er bestaat ook speelgoed in de vorm van Silly Putty. Dit stuitert als je het laat vallen en breekt als je er stevig aan trekt. Je kunt het echter ook in allerlei vormen kneden. Silly Putty kun je kopen, maar het is natuurlijk veel leuker om het zelf te maken!
IJzer, nikkel en kobalt blijven plakken aan een magneet. We zeggen dat ijzer, nikkel en kobalt ‘ferromagnetische materialen’ zijn. Magnetisch zoals ijzer. De atomen in magnetische materialen zijn allemaal kleine magneetjes die we ‘magnetische dipolen’ noemen. Bij ferromagneten zijn deze elementaire magneetjes uitgelijnd in magnetische domeintjes. Binnen zo’n magnetisch domein staan alle elementaire magneetjes dezelfde kant op. In de afbeelding is een dipool getekend als een pijltje en een domeintje als een groepje pijltjes die dezelfde kant op wijzen. Gewoonlijk wijzen de domeinen een willekeurige kant op en heffen elkaars magnetische werking op. IJzer is daardoor geen permanente magneet.
Wanneer je een magneet bij een stuk ijzer houdt, richten de magnetische dipolen in verschillende domeinen zich allemaal wél uit in dezelfde richting. Daardoor ontstaat er een sterk magneetveld in het stuk ijzer: het ijzer wordt magnetisch en wordt aangetrokken tot de magneet. De magneet trekt het ijzer aan, daardoor wordt het ijzer ook magnetisch en trekt het de magneet weer aan.
Maar wat gebeurt er wanneer je ijzer smelt en het bij een magneet houdt. Helemaal niets. IJzer verliest zijn ferromagnetische eigenschappen rond de 800 ºC, maar smelt pas boven de 1500 ºC. Dat geldt helaas ook voor nikkel, kobalt en andere magnetische materialen zoals magnetiet (Fe3O4) of maghemiet (γ-Fe2O3). Echte vloeibare magneten bestaan dus niet. Super jammer.
Maar scheikundigen zijn niet voor één gat te vangen. Een zogeheten ‘ferrofluid’ komt goed in de buurt van een vloeibare magneet. Een ferrofluid is een dispersie (oplossing van vaste deeltjes) van magnetische nanodeeltjes in een vloeistof. Deze nanodeeltjes (van bijvoorbeeld maghemiet) zijn ongeveer 10 nm groot en bevatten maar één enkel magnetisch domein. Ze zijn daardoor permanent magnetisch. Een magneet in de buurt van een ferrofluid zal de magnetische nanodeeltjes aantrekken en de vloeistof blijft tussen de nanodeeltjes plakken.
Om je een idee te geven van hoe klein deze nanodeeltjes zijn: de mensenhaar hieronder is ongeveer 0.05 mm (50 µm) dik. De bolletjes zijn SiO2-colloiden van ongeveer 0.001 mm (1 µm). De maghemiet nanodeeltjes zijn nog een factor 100 kleiner (10 nm, 0.01 µm of 0.00001 mm).
Er zijn allemaal wilde ideeën voor toepassingen van ferrofluids, waar we natuurlijk uren over zouden kunnen praten. Wat ik wél de moeite waard vind om te laten zien is dit kunstwerk van Sachiko Kodama. Het bestaat uit twee kegels en een bak met ferrofluid. De kegels zijn elektromagneten en op die manier zijn de ferrofluids te manipuleren.
Ben je nou benieuwd naar hoe je een ferrofluid kan maken en zit je nog op de middelbare school? (Pas op, nu volgt sluipreclame!) Dan kan je naar de website van de Universiteit Utrecht gaan om je aan te melden voor een masterclass colloïdchemie. Je leert in een kort weekeind over colloïden, ferrofluids, hoe het is om te studeren en er is een practicum.
Check je later!
Mark
NB: Haar en foto zijn eigendom van dr. Ben Erné van de vakgroep Fysische en Colloid Chemie van de Universiteit Utrecht.
Deze eerste ‘doe het jezelf’ zal niet zo heel ingewikkeld zijn. Ik moest wel heel erg lachen toen ik de uitvoering zag. Nooit aan gedacht.
Wat gaan we doen? IJs maken. Eigenlijk onderkoeld water laten uitkristalliseren. Natuurlijk leggen we uit wanneer een kristal ontstaat en wanneer niet.
Koop een flesje water. Leg dat in de diepvries en wacht totdat het ijskoud is. Let op: laat het flesje stil liggen! Het water zal niet uitkristalliseren tot ijs en ‘onderkoeld’ raken. Je begrijpt dat dit een ‘metastabiele’ fase is: een keer hard schudden en er zal een kristal ontstaan, maar zolang je niks doet, zal er niks gebeuren.
Leg in een schaaltje water (het liefst iets waar een halve liter in past) een ijsblokje klaar. Als het flesje vloeibaar (!) water koud genoeg is, haal je het uit de vriezer, open je het voorzichtig en schenk je het over langzaam over het ijsblokje heen.
Je zal zien dat, op het moment dat het vloeibare water het ijs raakt, het water uit zal kristalliseren. Je groeit nu een standbeeldje van ijs. Niet heel speciaal, maar wel lachen. Op school krijg je te horen dat chemische reacties een bepaalde tijd nodig hebben en dat faseovergangen (in dit geval van vloeistof naar vast) ‘instantaan’ zijn. Ik kon me daar niet veel bij voorstellen. Dit is de manier om te zien hoe snel die faseovergang gaat.
Natuurlijk is er op de JijBuis genoeg te vinden over dit effect. Mensen die flessen onderkoeld water schudden, en mensen die een ‘beeldje’ groeien.
In deze eerste video is te zien dat ijs niet zomaar groeit. In principe gaat het volgende over alle soorten van kristallisatie.
Bij het groeien van kristallen (ijs, nanomaterialen, colloïden, enzovoorts) zijn er twee soorten interacties belangrijk: de energie van het bulkmateriaal en de energie van het oppervlak. Je kan je voorstellen dat moleculen (maar ook atomen in een metaal) graag middenin een kristal zitten, omdat ze dan omgeven worden door soortgenoten. Alle moleculen zitten op dezelfde manier netjes geordend en dat scheelt enorm in energie. Moleculen die aan de rand van de bulk zitten, zitten net ietsjes anders. Ze worden verschoven, hebben niet aan alle kanten buren en zijn erg ongelukkig. Dit verlies in energie per oppervlakte heet oppervlaktespanning. Weinig oppervlakte geeft weinig energieverlies. Een kristal zou dus het liefst zo min mogelijk oppervlak willen hebben in verhouding tot (zoveel mogelijk) bulk.
Nu gaan we dit toepassen op water (vloeibaar) en ijs (vast, kristallijn). De watermoleculen in water zijn erg blij: ze hebben weinig oppervlakte (weinig energieverlies) en veel bulk (ze zijn allemaal hetzelfde). We weten allemaal dat water stabiel is tussen 0 en 100 graden Celcius en ijs onder de 0 graden. Maar wat nu als we water koelen tot onder de nul graden? Blijkbaar gaat het niet altijd zomaar over in ijs bij 0 graden. Alleen als we energie toevoegen door schudden.
De clue zit hem in de oppervlaktespannig. Stel je 2 watermoleculen voor: als die dicht tegen elkaar aan zitten (in een ‘kristal’) hebben die enorm veel oppervlakte en heel weinig bulk. Als je 10 watermoleculen netjes orden, zie je dat nu al niet alle moleculen meer aan het oppervlak van het kristal zitten: nog veel oppervlak, maar al een paar in de bulk. Neem nu 500 watermoleculen. Er ontstaat steeds meer bulk in verhouding tot oppervlakte.
Het verlies in energie door de oppervlaktespanning moet overwonnen worden door het verdienen van energie door de bulk. Deze energie kan door schudden vrij komen (als jij schudt, verricht je arbeid) en dat is net genoeg om ergens een klein kristalletje te laten ontstaan. Verderop in de video zie je dat een klein ‘entkristal’ ook al genoeg kan zijn. Alle andere onderkoelde watermoleculen willen naar de ijsfase en kunnen dat lekker doen aan het entkristal. Ze zorgen ervoor dat het ijskristal minder oppervlakte krijgt en meer bulk.
Als entkristal kun je natuurlijk ook een compleet ijsklontje gebruiken. Als je een vuil flesje of een plastic bakje met krasjes gebruikt om water in te bevriezen, zal er altijd wel een plaats zijn waar het water tegen de zijkant kan kristalliseren. Gebruik daarom altijd enorm schone flesjes en zuiver water. Ik heb nog niet geprobeerd of je dit met een nieuw flesje en zeep voor elkaar kan krijgen maar ik schat de kans klein in.
Ik heb ook nog even gezocht naar een mooie video waarin iemand een ijsbeeldje maakt. Verwacht er niet teveel van maar probeer vooral zelf iets moois te kleien. Wees alleen niet zo’n klungel als die jongen in het filmpje en leg het ijsblokje niet op de bolle kant maar op de vlakke.
Have fun,
Aldo