Het mysterie van de plakbandlus

Foto: Levi Baruch
Foto: Levi Baruch
Twan Wilting verdedigde op 4 juni zijn proefschrift bij de faculteit Applied Physics and Science Education.

Als je de twee plakzijdes van een plakband op ťťn punt tegen elkaar aan drukt, ontstaat er een lus. Als je de lus vervolgens uit elkaar wil trekken, gebeurt er iets geks. In plaats van meteen open te springen, wordt de lus eerst een heel stuk kleiner, totdat het plakband uiteindelijk loslaat. Dit intrigeerde TU/e-onderzoeker Twan Wilting zodanig dat hij besloot dit fenomeen te gaan onderzoeken in het kader van zijn PhD-project.

Bron: Cursor / Martina SilbrnŪkovŠ

____________

Het was tijdens zijn master Applied Physics aan de TU/e, toen Wilting op zijn studentenkamer zat en ineens geÔntrigeerd raakte door het gedrag van een doodgewoon stukje plakband.

"Het viel me op dat een plakbandlus niet meteen loslaat als je eraan trekt, maar eerst steeds kleiner wordt", vertelt hij. "Ik dacht ’huh, dit is gek, hoe werkt dat’’" Wilting zocht contact op met verschillende mensen op het internet, maar niemand wist het antwoord. "Die fascinatie ebde een beetje weg, maar de vraag bleef altijd in mijn hoofd hangen", aldus de promovendus.

Plakbandprobleem

Toen hij toevallig bij een lezing was van hoogleraar Jacco Snoeijer over adhesieven oftewel plaklagen, zag hij weer zijn kans schoon.


"Ik heb bij de receptie snel wat plakband gehaald, liep in de pauze naar hem toe, demonstreerde het probleem van de plakbandlus en zei tegen hem ’leg maar uit’", zegt hij lachend. Maar ook Snoeijer wist het antwoord niet en zo is het balletje gaan rollen. Wilting besloot om in het kader van zijn promotieonderzoek de plakbandmysterie samen te gaan ontrafelen.

Collectief zwemgedrag

Het grootste deel van Wiltings promotieonderzoek gaat niet over de plakband, maar over collectief zwemgedrag van bacteriŽn in verdampende druppels. Wilting keek hoe de bacteriŽn zich verspreiden tijdens het opdrogen van de vloeistof waarin ze zwemmen en welke patronen op die manier ontstaan.

Meer fundamenteel begrip van dit gedrag kan ons bijvoorbeeld helpen voorspellen hoe bacteriŽn in druppeltjes vocht overleven, en welke opdroog pratronen ze vormen, zodat we hun verspreiding beter kunnen tegengaan.

Wilting: "Het ’plakbandprobleem’ stond niet in mijn doelstellingen of contract, maar mijn begeleider vond het gelukkig prima als ik een deel van mijn PhD-traject daaraan ging werken." Uiteindelijk heeft de promovendus anderhalf jaar aan het oplossen van het plakbandprobleem gewerkt. 4 juni verdedigde hij zijn proefschrift bij de faculteit Applied Physics and Science Education.

(Links: Een overzicht met verschillende patronen gevormd door bacteriŽn aan de rand van de druppel wanneer deze verdampt. Bron: proefschrift Twan Wilting)

Monnikenwerk

Ten eerste heeft Wilting een experimentele setup met een camera gebouwd om zo goed mogelijk in beeld te brengen hoe de plakband vervormt als je hem uit elkaar wil trekken. "Ik heb verschillende plakbanden gekocht - bij de Hema, Jumbo, Action, noem maar op - om te kijken of daar een verschil tussen was", vertelt hij.

Vervolgens was het monnikenwerk om dat plakband heel mooi recht op elkaar te plakken tot een perfecte lus.

"Als de plakband een beetje scheef staat, dan gaat hij bij het uit elkaar trekken steeds krommer staan, en dat wil je niet. Dat vereist dus heel precies manueel werk." Uiteindelijk had Wilting ongeveer een halve kilometer plakband nodig voor de experimenten die hij deed.

Hij laat in het lab de setup zien en legt uit hoe het allemaal in z’n werk gaat. Nadat hij van een stuk plakband handmatig een mooie lus heeft gemaakt, bevestigt hij het plakband op de machine (zie afbeelding rechts).

"Dan laat je de lus met een constante snelheid uit elkaar trekken - van heel langzaam tot heel snel", vertelt hij. De camera legt ondertussen het profiel van de plakband vast. "We hebben verschillende experimenten gedaan waarbij de lus in dertig seconden tot wel twaalf uur uit elkaar werd getrokken", aldus Wilting. Zo kwam hij erachter dat de snelheid waarmee je trekt invloed heeft op de kromming en de uiteindelijke lus grootte bij het openbreken. "Hoe sneller je trekt, hoe kleiner de lus wordt voordat de plakband loslaat."

PhD in the picture

Wat staat er op je proefschriftkaft?

"Een opname van bacteriŽn aan de rand van een verdampende druppel. Je ziet dat sommige bacteriŽn zijn aangespoeld aan de rand en dat die laag niet overal even dik is. Dat is een van de patronen dat ontstaat bij de verdamping van druppels dat ik in mijn proefschrift beschrijf."

Hoe blaas je naast je onderzoek stoom af?

"Met motorrijden. Ik woon op een opgeknapte boerderij in the middle of nowhere en ik kan daar lekker hout hakken of tuinieren. Als het niet regent, dan ben ik het liefst buiten."

Hoe draagt je onderzoek bij aan de maatschappij?

"Als we beter begrijpen hoe bacteriŽn zich verspreiden vanuit opdroogpatronen, kunnen we door de verdamping te controleren de kolonisatie bemoeilijken of versnellen, afhankelijk van de toepassing."

Welk advies had je graag willen krijgen toen je aan je PhD begon?

"Ik ben nooit bang geweest om mensen te benaderen en vragen te stellen. Maar misschien had ik wat vaker willen vragen: mag ik met je meekijken? En dan bijvoorbeeld twee maanden met iemand in het lab meelopen. Je kunt iemand vertellen hoe iets moet, maar nog beter is om te leren door samen iets te doen."

Wat is je volgende hoofdstuk?

"Ik werk nu bij Philips Healthcare in Best. Dat heeft niets met het fundamentele onderzoek van druppels of plakband te maken; ik gebruik daarbij vooral skills zoals programmeren, het aansturen van software en camera’s, beeldbewerking. Ik werk daar in een team dat bezig is met het automatiseren van testen voor rŲntgenapparaten."


De kritische lusgrootte

Ook heeft hij het antwoord gevonden op de hamvraag: waarom wordt de lus ťťrst kleiner voordat deze loslaat en welke krachten zijn daarbij betrokken?

"Stel je hebt een plakbandlus, dan kun je de twee uiterste contactpunten als A en B aanduiden (zie afbeelding hieronder, red.)", legt hij uit. "Als ik aan de plakband trek, dan neemt de kromming in punt B toe en bij een kritische waarde kan ik punt B laten opschuiven, i.e. het contact breekt hier dan open.De afstand tussen A en B wordt dan steeds kleiner, totdat punt A de aanwezigheid van punt B begint te ’voelen’."

Als er een verschil in kromming is over een hele korte afstand, dan heeft dat invloed op de energiebalans. De plakband kan de totale (buig)energie dan verlagen door de kromming in punt A te verlagen door hier de plakband tegen elkaar te duwen. Daardoor onstaat er een nieuw stukje contact en wordt de lus wat kleiner. Uiteindelijk wordt de kromming in punt A zo groot dat er een kritische waarde bereikt waarop de plakband ook hier loslaat - de zogeheten kritische lusgrootte.

Samen met zijn collega’s heeft Wilting een model gemaakt om dit gedrag te beschrijven. Uitgaand van de elastica-vergelijking die beschrijft hoe dunne materialen buigen voegde ze daar de energie bijdrage aan toe die de interactie tussen de contactpunten A en B beschrijftaan toe. Zo kwamen ze tot een model waarmee je de vervorming kunt beschrijven en voorspellen op welk moment de lus openspringt.

De belangrijkste bevinding van zijn onderzoek is dat de nodige kracht om een lus open te trekken niet constant is, maar steeds verder toeneemt.

"Dat werd vroeger niet meegenomen, waardoor je in de werkelijkheid veel meer energie nodig hebt dan van tevoren gedacht werd", aldus Wilting. Het model kan gebruikt worden bij verschillende toepassingen waarbij je het loslaten van adhesieve lagen wil voorkomen of juist net wel lussen en blaren wilt verwijderen, zoals bij het bouwen van grafeenlagen, in elektronica of bij het ontwerpen van screen protectors. "Nu kun je precies uitrekenen hoeveel kracht er nodig is en aan welke belasting het materiaal zal worden blootgesteld zodat het niet kapotgaat", aldus de onderzoeker.