Onderzoekers hebben laten zien hoe de principes van schurkengolven – enorme golven van 30 meter hoog die onverwachts in de oceaan ontstaan ​​– op nanoschaal kunnen worden toegepast, met tientallen toepassingen, van geneeskunde tot productie.

Lange tijd beschouwd als een mythe, slaan schurkengolven toe vanuit een relatief rustige omgeving, waarbij booreilanden en schepen op hun pad worden vernield. In tegenstelling tot tsunami's ontstaan ​​schurkengolven door de toevallige combinatie van kleinere golven in de oceaan, waardoor een gebeurtenis ontstaat die zeer zeldzaam is.

Er is de afgelopen jaren veel onderzoek gedaan naar schurkengolven, maar nu laten wetenschappers voor het eerst zien hoe dit op veel kleinere schaal – nanometrisch – kan worden toegepast. Een nanometer is een miljoen keer kleiner dan de dikte van de pagina van een boek. Dit is een compleet nieuwe benadering van het gedrag van vloeistoffen op nanometrische schaal, gepubliceerd als een brief in Physical Review Fluids .

De gaten en hobbels die door schurkengolven worden veroorzaakt, kunnen worden gemanipuleerd om spontaan patronen en structuren te produceren voor gebruik bij nanoproductie (productie op een schaal van een miljardste van een meter). Patronen die worden gevormd waardoor vloeistoffilms scheuren, kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om micro-elektronische circuits te bouwen, die kunnen worden gebruikt bij de productie van goedkope componenten van zonnecellen. Bovendien zou het gedrag van dunne vloeistoflagen kunnen helpen verklaren waarom miljoenen mensen wereldwijd last hebben van droge ogen. Dit gebeurt wanneer de traanfilm die het oog bedekt, scheurt.

Door middel van directe simulaties van moleculen en nieuwe wiskundige modellen ontdekte het onderzoek onder leiding van het Mathematics Institute van de Universiteit van Warwick hoe nanoscopische vloeistoflagen zich op contra-intuïtieve manieren gedragen. Terwijl een gemorste laag koffie op een tafel ogenschijnlijk bewegingloos kan blijven liggen, creëert de chaotische beweging van moleculen op nanoschaal willekeurige golven op het vloeistofoppervlak.

Een zeldzame gebeurtenis doet zich voor wanneer deze golven samenspannen om een ​​grote ‘schurkenstaten-nanogolf’ te creëren die door de laag heen barst en een gat creëert. De nieuwe theorie legt uit hoe en wanneer dit gat wordt gevormd en geeft nieuw inzicht in een voorheen onvoorspelbaar effect, door hun grote oceanische neven als wiskundige blauwdruk te nemen.

Het team van onderzoekers is enthousiast over het potentieel van dit onderzoek in verschillende industrieën; de toepassingen zijn verreikend.

Professor James Sprittles, Mathematics Institute, Universiteit van Warwick, zei:"We waren verheugd om te ontdekken dat wiskundige modellen die oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor de kwantumfysica en onlangs zijn toegepast om kwaadaardige oceaangolven te voorspellen, cruciaal zijn voor het voorspellen van de stabiliteit van nanoscopische vloeistoflagen." P>

"In de toekomst hopen we dat de theorie kan worden benut om een ​​reeks nanotechnologieën mogelijk te maken, waarbij het manipuleren wanneer en hoe lagen scheuren cruciaal is. Er kunnen ook toepassingen zijn op aanverwante gebieden, zoals het gedrag van emulsies, bijvoorbeeld in voedingsmiddelen of verven , waarbij de stabiliteit van dunne vloeistoffilms hun houdbaarheid dicteert."

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Fluids .

Meer informatie: James E. Sprittles et al, Rogue nanowaves:een route naar filmruptuur, Physical Review Fluids (2023). DOI:10.1103/PhysRevFluids.8.L092001

Aangeboden door Universiteit van Warwick