De Engelse uitdrukking ‘watching paint dry’ belooft geen enerverende activiteit. Toch is het precies wat Hanne van der Kooij en Jesse Buijs van Wageningen Universiteit proberen te doen. Met goede reden, want onder het ogenschijnlijk rustige oppervlak van een verflaag kan de hectiek zo maar losbarsten. “Verf is een zeer heterogeen materiaal, waarin allerlei reacties en processen plaatsvinden. Dat kan heel lang doorgaan, kijk maar naar de veranderingen in de verf op oude schilderijen’, zegt Van der Kooij, staff scientist in de fysisch-chemische onderzoeksgroep van Joris Sprakel. “We zien alleen het oppervlak van de verflaag en dan lijkt het alsof er ‘zomaar’ scheurtjes en blaasjes ontstaan, maar daar gaat natuurlijk iets aan vooraf.”

Tussen natte en droge verf schuilt een wereld vol verandering. Uit een dispersie van polymeerbolletjes (de natte verf) ontstaat gaandeweg een polymeerfilm (de uitgeharde verflaag) doordat de bolletjes samenvloeien. Daarvoor is nog steeds, ook in verf op waterbasis, een beetje weekmaker nodig. “Om alternatieven voor die ongewenste weekmakers te vinden, moeten we weten wat precies de drijvende kracht is achter het samenvloeien van de bolletjes en het vormen van de film.”

’Aan scheurtjes in de verf gaat natuurlijk iets vooraf’

Sneeuw

De vraag is dan hoe je, in een niet-transparant materiaal, verder kunt kijken dan het oppervlak. Het antwoord kwam, verrassend genoeg, uit de medische hoek. Om perfusie onder de huid te visualiseren wordt Laser Speckle Imaging gebruikt, een techniek die al in de jaren tachtig is ontwikkeld. Groepsleider Joris Sprakel kwam het idee om deze techniek te gebruiken om beweging in een verflaag zichtbaar te maken. “Kijk, zo ziet een speckle-patroon eruit”, zegt Van der Kooij terwijl ze met een laserpointer op de muur schijnt. Het licht wordt naar alle kanten verstrooid en er verschijnt een patroon dat lijkt op de ‘sneeuw’ op een tv-scherm.

In dat patroon zelf zit geen informatie. Het gaat om de verandering in de intensiteit van de vlekjes. Dat is een teken van beweging, legt promovendus Jesse Buijs uit. “Beweging verandert het pad van de verstrooide fotonen en dat neem je waar. Hoe meer beweging in de verflaag, hoe meer die intensiteit verandert.” Een demonstratie in het lab laat de kracht van de techniek zien. De opstelling is eenvoudig. Een laser, spiegeltjes, een objectief en een digitale camera. Van der Kooij brengt een druppeltje isopropanol aan op een droog laagje ouderwetse olieverf. Als je naar de verf kijkt zie je niets gebeuren, maar het bijbehorende speckle-patroon is spectaculair. Je ziet het uitvloeiende druppeltje zelf niet, want dat is transparant, maar je ziet wel exact de omtrek ervan. Daarbuiten gebeurt er niets, maar overal waar het oplosmiddel komt, ontstaat een krioelende hoop vlekjes. Onder de verflaag breekt een enorme activiteit los. En zodra alles is verdampt, keert de rust weer terug.

Maar wat hebben we nou precies gezien? Dat er iets gaat bewegen is belangrijke informatie, maar het blijft een kwalitatief resultaat. “De grote vernieuwing zit in de data-analyse”, zegt Buijs. “Daardoor kunnen we nu ook kwantitatieve informatie verkrijgen. Bijvoorbeeld over vervormingen. Voordat er scheurtjes ontstaan, bouwt zich lokaal spanning op. Dat leidt tot minuscule vervormingen die we kunnen meten op de nanoschaal. Maar ook vervorming door zwelling, bijvoorbeeld door het aanbrengen van een schoonmaakmiddel, kunnen we meten. In een systeem dat nog meer vloeibaar is, kunnen we onder meer verschillen in stroomsnelheid meten.”

‘We kunnen vervormingen op de nanoschaal meten’

Nachtwacht

Een aansprekend voorbeeld van hoe je LSI kunt inzetten voor de analyse van verf is de samenwerking tussen de onderzoeksgroep van Sprakel en het Rijksmuseum, o.a. in het kader van operatie Nachtwacht. Voor conservatoren en restauratoren is het essentieel om direct te kunnen zien wat er gebeurt in de verflagen tijdens hun werkzaamheden. Maar ook voor het meer alledaagse verf- en materialenonderzoek biedt LSI interessante mogelijkheden. Bijvoorbeeld voor het bepalen van de zogeheten ‘open tijd’ van verf. Dat is de tijd tussen opbrengen en uitharden, waarbinnen je de verf nog kunt bewerken. Van der Kooij: “Voor verfmakers is die open tijd heel belangrijk, maar we hebben geen mechanistisch begrip van wat nou precies die tijdsduur bepaalt en hoe je dat zou kunnen sturen.”

Andere toepassingen zijn het onderzoek naar inkt, zelfhelende coatings of responsieve materialen, die reageren op signalen uit de omgeving. “LSI kun je op alle ondergronden inzetten.” Ze ziet ook veel mogelijkheden om LSI te integreren met andere technieken, zoals reometrie of confocale microscopie. “LSI levert data over de nanodynamica en nanomechanica. Als je dat combineert met data over bijvoorbeeld mechanische eigenschappen krijg je een veel completer beeld van het gedrag van het materiaal.”