Onderzoekers brengen inzicht in rol van kinetiek bij vloeistoftransport

Remco Hartkamp, Max Döpke en Fenna Westerbaan van der Meij, onderzoekers bij de afdeling Process & Energy, brengen een nieuw inzicht in de rol van oppervlaktereactiesnelheden van vloeistof bij elektrokinetische transport. Uit hun onderzoek blijkt dat de kinetiek (de snelheid waarmee reacties optreden) van de evenwichtsreactie een significante invloed kan hebben op de adsorptie en de mobiliteit van ionen, die op hun beurt het elektrokinetisch gedrag beïnvloeden. Deze kennis is van cruciaal belang bij het ontwerpen van nieuwe energieapparaten, zoals batterijen en blauwe-energiemembranen, of voor innovatieve toepassingen op het gebied van geneeskunde of milieu, bijvoorbeeld medicijncapsules en technieken om de milieuvervuiling te verminderen. Deze week publiceerden zij hun resultaten in Physical Review Letters.

Grensvlakken tussen vaste stof en vloeistof komen veel voor in de natuur en de processen die plaatsvinden op deze grensvlakken worden onderzocht in veel gebieden van wetenschappelijk onderzoek, waaronder colloïden, corrosie, batterijen, sensoren en elektrokinetisch transport.

Remco Hartkamp, onderzoeker Complex Fluid Processing: “Stel, je hebt een heel klein apparaatje op micrometer- of nanometerschaal en je wilt er vloeistof doorheen transporteren. Je kunt geen druk uitoefenen om vloeistof door deze zeer kleine kanaaltjes te persen, want dan zou je een relatief grote druk nodig hebben. Je zou wel een elektrisch veld kunnen gebruiken. Maar dit type elektrokinetisch transport is volledig afhankelijk van de verdeling van de elektrolyten, en we hebben nu aangetoond dat deze heel gevoelig kan zijn voor reactiekinetiek (de snelheid waarmee reacties optreden), die op haar beurt weer afhangt van temperatuur en pH en zo. Met de inzichten uit ons onderzoek zijn we dus beter in staat om kleine apparaatjes te ontwikkelen waardoor we vloeistoffen kunnen transporteren.”

Protonenuitwisseling op een vast oppervlak verklaren

Onderzoekers die keken naar de dynamiek die op deze grensvlakken plaatsvindt, hebben traditioneel bepaalde aannames gedaan. “Maar bij deze aannames wordt er geen rekening gehouden met het feit dat er altijd reacties plaatsvinden, ook in een evenwichtstoestand. Dit is omdat wordt aangenomen dat deze reacties op verschillende tijdschalen plaatsvinden”, legt Hartkamp uit. In samenwerking met Benoit Coasne van het Centre national de la recherche scientifique (CNRS) in Grenoble hebben Hartkamp, promovendus Max Döpke en Fenna Westerbaan van der Meij daarom een moleculair-dynamisch kader ontwikkeld dat reacties met protonenuitwisseling op een vast oppervlak verklaart, door dynamisch de verdeling van de oppervlaktelading af te leiden. “We hebben laten zien dat, als de reacties plaatsvinden op een tijdschaal die vergelijkbaar is met die van ionen die aan het oppervlak worden geadsorbeerd of ionen die zich verplaatsen, de kinetiek van de reacties aan het oppervlak een rol gaat spelen, en dat die invloed heeft op de verdeling van de componenten in de buurt van het oppervlak.”

Deze uitkomst heeft implicaties voor toekomstige moleculaire simulaties van grensvlakken tussen vaste stof en elektrolyt en voor de interpretatie van theoretische modellen die ionenverdelingen of elektrokinetisch transport voorspellen. Het kan ook nuttig zijn voor het ontwerp van bijvoorbeeld lab-on-a-chip-apparaten.

Lees “Surface Protolysis and its Kinetics Impact on the Electrical Double Layer”