Colloïden - mengsels van deeltjes gemaakt van één stof, verspreid in een andere stof - opduiken in tal van gebieden van het dagelijks leven, inclusief cosmetica, voedsel en kleurstoffen, en vormen belangrijke systemen in ons lichaam. Het begrijpen van het gedrag van colloïden heeft daarom verstrekkende implicaties, maar het onderzoeken van de rotatie van bolvormige deeltjes was een uitdaging. Nutsvoorzieningen, een internationaal team, waaronder onderzoekers van het University of Tokyo Institute of Industrial Science, heeft deeltjes gemaakt met een niet-gecentreerde kern of "oog" die kunnen worden gevolgd met behulp van microscopie. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling X .

Deeltjes die in een vloeistof zijn gesuspendeerd, bewegen van de ene plaats naar de andere als gevolg van Brownse beweging, die gemakkelijk met een microscoop kunnen worden gedetecteerd. Echter, deze deeltjes roteren ook, wat veel moeilijker te zien is als ze bolvormig zijn.

De onderzoekers hebben dit overwonnen door deeltjes te maken die zijn gemaakt van twee verschillende kleuren van hetzelfde materiaal. De kernbol - die ze het oog noemen - bevindt zich niet in het midden aan het oppervlak van het deeltje. Het biedt een punt dat onder een microscoop kan worden gevolgd om de oriëntatieveranderingen te bepalen terwijl het deeltje roteert.

"De rotatie van een colloïdaal deeltje vertelt ons over de omringende hydrodynamica - de beweging van de zwevende vloeistof - en de contactkrachten, zoals wrijving. Echter, om het volledige beeld te krijgen in een dichte ophanging, alle deeltjes moeten in één keer worden gevolgd, ", legt de corresponderende auteur van de studie, professor Hajime Tanaka, uit. "Naast een punt om in de loop van de tijd te volgen, de dichtheid en brekingsindex van onze deeltjes kunnen op elkaar worden afgestemd, zodat de benodigde 3D-beelden kunnen worden verkregen."

Door een dichte suspensie van geladen deeltjes te volgen die een colloïdaal kristal vormen - dat een geordende rangschikking van deeltjes heeft - werd ontdekt dat de rotatie van aangrenzende bollen gekoppeld was en in tegengestelde richtingen bewoog, zoals in elkaar grijpende tandwielen.

In aanvulling, een systeem met ongeladen deeltjes toonde aan dat er een verband was tussen lokale kristalliniteit - de ordening in de directe omgeving - en de rotatiediffusiviteit, die het proces beschrijft van de oriëntatie die weer in evenwicht komt.

De onderzoekers observeerden ook een "stick-slip" rotatiebeweging tussen deeltjes die contact maken, waar een grote buur de beweging van een deeltje door wrijving zou kunnen stoppen.

"Ons systeem heeft het broodnodige inzicht gegeven in hydrodynamische en wrijvingskoppeling in zeer dichte colloïden, " zegt andere corresponderende auteur professor Roel Dullens. "We verwachten dat onze bevindingen een significante impact zullen hebben op het ontwerp van industriële processen waarbij colloïden betrokken zijn, evenals op het begrip van biologische processen."