Wetenschap - 5 juni 1997

Het gedrag van polymeren aan een grensvlak

Het gedrag van polymeren aan een grensvlak

Het gedrag van polymeren aan een grensvlak
Jos van den Oever, Fysische en kolloidchemie
Lukt het wel om het begrijpelijk uit te leggen? Die vraag houdt Jos van den Oever, vierdejaars Moleculaire wetenschappen, bezig de dag voor zijn colloquium over zijn afstudeervak bij de vakgroep Fysische en kolloidchemie. Niet dat hij zich niet grondig heeft voorbereid. Zoals gebruikelijk bij Fysische en kolloidchemie heeft hij al een proefpraatje gehouden voor twee medewerkers van de vakgroep en op basis daarvan zijn sheets nog aangepast. Ook heeft hij geleerd dat hij meer de zaal in moet kijken
Desalniettemin maakt Van den Oever zich zorgen. Zijn onderwerp is erg abstract en hij heeft zelf veel tijd moeten investeren om de theorie te begrijpen. Wanneer zijn begeleiders in het begin over het onderwerp discussieerden kon hij ze nauwelijks volgen
Van den Oever heeft gewerkt aan een verbetering van de Scheutjens-Fleer-theorie (SF-theorie), de theorie waarmee de Wageningse chemici Jan Scheutjens en Gerard Fleer in 1979 furore maakten. De SF-theorie beschrijft het gedrag van polymeren - lange ketens van aan elkaar geknoopte moleculen - aan grensvlakken. Dat kan bijvoorbeeld het grensvlak zijn van een bolletje vet in melk of van een latexbolletje in muurverf
Polymeren in een oplossing hechten zich aan deze bolletjes, voor zover de ruimte dat toelaat, en stoten elkaar dan af. De aanwezigheid van polymeren kan er zo voor zorgen dat de bolletjes egaal verdeeld blijven over de vloeistof. Maar bij een lage concentratie polymeren kan het ook gebeuren dat een polymeer meerdere bolletjes met elkaar verbindt, waardoor de vloeistof klontert of schift
Polymeren zijn voor te stellen als lange slierten die bestaan uit vele segmenten. Sommige segmenten zijn recht, andere kronkelen zich in de vreemdste bochten en hoeken. Het gedrag van polymeren laat zich lastig in een model beschrijven. Een belangrijke aanname van zo'n model is dat als een polymeer aan een grensvlak zit, sommige segmenten zich strak tegen dit vlak aanvlijen, terwijl andere segmenten uitsteken in de vloeistof
In het model van de SF-theorie wordt als het ware een rooster over een vloeistof gelegd. In ieder vakje past precies een segmentje van een polymeer. Met behulp van de SF-theorie wordt laag voor laag, te beginnen vanaf het grensvlak, de concentratie polymeersegmenten berekend. Iedere laag levert een vergelijking op. Honderdvijftig lagen betekent dus honderdvijftig vergelijkingen, althans in een eendimensionaal model. Bij een realistischer tweedimensionaal model, waar Van den Oever mee heeft gewerkt, neemt het aantal vergelijkingen kwadratisch toe
De computer heeft flink moeten rekenen. Van den Oever hanteerde 3600 vergelijkingen. De meest ingewikkelde berekening kostte de computer een kleine week
De verbetering van het model bestond uit een beperking van het aantal manieren waarop een polymeer zich kan vouwen. Je zet een segment van een polymeer in een hokje vast. De andere segmenten van het polymeer kunnen zich niet meer in dat hokje bevinden, legt Van den Oever uit. Natuurlijk zou het beter zijn van ieder segment van ieder polymeer het plekje te onthouden. Dat is echter voor lange ketens niet uitvoerbaar. Dan heb je een andere basistheorie nodig.
De aangebrachte verfijning in de SF-theorie resulteerde er onder meer in dat zich volgens het model meer polymeren aan een grensvlak kunnen hechten dan op basis van de oorspronkelijk theorie verwacht mag worden
De capaciteit van de computer, vooral de benodigde rekentijd, vormde tijdens het afstudeervak een belemmering. Van den Oever was genoodzaakt de lengte van zijn denkbeeldige polymeren te beperken tot duizend segmenten. Dat was niet lang genoeg om een belangrijk beoogd effect van de modelverfijning te meten. Vijfduizend of tienduizend segmenten zou beter zijn, maar dat trekt de computer niet, aldus Van den Oever
Het modelleren bleek een lastige klus. Vooral het schrijven van een computerprogramma kostte veel tijd. Wekenlang was Van den Oever bezig de foutjes uit het programma te halen. Ook moest hij steeds controleren of gemaakte veronderstelling in het model gerechtvaardigd waren
Aan het einde van zijn afstudeervak wachtte de student nog een forse tegenvaller. Toen bleek dat in het model ten onrechte een parameter verwaarloosd was. Tijd om alle berekeningen over te doen was er niet. Desalniettemin voerde Van den Oever nog een berekening uit met ketens van slechts honderd segmenten en zette hij nog een keer de een week durende berekening met duizend segmenten aan
Hoewel er volgens Van den Oever flink vooruitgang zit in de verfijning van de SF-theorie, is deze nog lang niet af. Een praktische toepassing is voorlopig niet in beeld. Van den Oever maakt zich er niet druk om. Zijn enthousiasme voor een abstract onderwerp was gewekt na het volgen van het vak Moleculaire thermodynamica. Lekker abstract vergelijkingen afleiden, leuk. Hoezo leuk? Van den Oever: Een moleculaire wetenschapper wil alles begrijpen. Kun je dingen zelf afleiden, dan geeft dat een enorme bevrediging. Van formules die je al jaren klakkeloos toepast weet je opeens: he, daar komen ze vandaan.

Re:ageer