Magisch zand

ORIENTEREN

Hoe kun je zand in water droog houden?

VOORBEREIDEN

Materialen en producten

• Magisch zand (ofwel aangekocht ofwel gemaakt door zand uitgespreid behandelen met een waterafstotend product wat gebruikt wordt bij schoenen waterafstotend maken)
• Gewoon zand
• 2-3 kartonnen stukken om zanddemo’s te maken (zie foto hierboven)
• kleine petrischaaltjes  (2-3 afhankelijk van de gebruikte demo) elk 1/2 gevuld met water
• water in spuitfles of gebruik beker met water en oogdruppel
• trechter en snelstromend filterpapier (of koffiefilters)
• beker/beker om vloeistof uit trechter op te vangen

UITVOEREN

1. Start met de 2 stukken kartoon.
2. Bestrooi één met magisch zand (druk zo nodig aan om te plakken). Schud overtollig zand af .

3. Bestrooi andere met gewoon zand (druk zo nodig aan om te plakken). Schud overtollig zand af.
4. Gooi nu zand  in een van de petrischaaltjes met water. Herhaal door met het magisch zand in een andere petrischaal te strooien
5. Doe de waarneming

WAARNEMEN

Na een korte tijd ontstaat volgende fase

REFLECTEREN

Hydrofoob zand, ook bekend als Magic Sand®, is een voorbeeld van hoe nanoschaaltechnologie het gedrag of uiterlijk van een materiaal op macroschaal kan veranderen. Het behandelen van het oppervlak van individuele zandkorrels maakt een nieuw type materiaal dat zich heel anders gedraagt dan gewoon strandzand. Om te begrijpen hoe hydrofoob zand werkt, moeten we eerst enkele basisprincipes van water begrijpen.

Watermoleculen zijn zeer polair, wat betekent dat ze  licht positieve en licht negatief geladen uiteinden hebben. Dit gebeurt omdat  de elektronen in de bindingen van het molecuul niet gelijk verdeeld zijn tussen de atomen. De positieve uiteinden van een watermolecuul trekken sterk het negatief geladen uiteinde van andere moleculen aan, net zoals de polen van een magneet op elkaar inwerken.  Deze interacties worden “waterstofbruggen” genoemd en zijn direct verantwoordelijk voor enkele van de unieke eigenschappen van water (hoog kookpunt, hoge oppervlaktespanning, laag vriespunt, enz.).  Azijn (azijnzuur) en ontsmettingsalcohol (ethanol) zijn andere polaire moleculen die veel voorkomen in huishoudens.

De interacties tussen de watermoleculen zijn zo sterk dat stoffen die bestaan uit apolaire moleculen (die geen waterstofbruggen kunnen vormen) zich niet met water kunnen mengen. Water stoot niet-polaire stoffen af of omhult ze volledig, zodat het zich met zichzelf kan blijven hechten. Hydrofobe of “waterhatende” moleculen zijn altijd apolair en bevatten vette stoffen zoals oliën, vetten of teer. Plantaardige olie bestaat bijvoorbeeld uit apolaire moleculen. Wanneer de olie in contact komt met water, verspreidt het zich over het wateroppervlak, maar mengt het niet.

 

Natuurlijk zand wordt aangetrokken door water. Het is hydrofiel, of ‘waterminnend’. Op het strand absorbeert natuurlijk zand gemakkelijk water wanneer golven op de kust beuken. De atomen op het oppervlak van zanddeeltjes hebben positieve en negatieve ladingen. Deze ladingen worden aangetrokken door de tegengesteld geladen uiteinden van watermoleculen. Daarom worden het water en het zand naar elkaar toegetrokken.

 

Met behulp van nanotechnologie kunnen wetenschappers de interactie tussen zand en water veranderen. Natuurlijke zandkorrels zijn bedekt met een speciale verbinding op basis van silicium. Het ene uiteinde van de verbinding wordt aangetrokken door het zanddeeltje. Het andere uiteinde van de verbinding is echter hydrofoob en steekt weg van de zandkorrel. Hierdoor ontstaat een hydrofobe (apolaire) laag op het oppervlak van elke zandkorrel. Deze laag stoot water af van de afzonderlijke zandkorrels.

 

Wanneer normaal zand over water wordt gestrooid, mengt het zich gemakkelijk met de vloeistof en zinkt het naar de bodem. Maar wanneer niet-polair zand wordt besprenkeld, geven de watermoleculen er de voorkeur aan om zich te blijven binden met andere watermoleculen in plaats van met het zand. Dit voorkomt dat de korrels van apolair zand door het oppervlak breken. Het zand blijft op het wateroppervlak totdat zich voldoende materiaal ophoopt om de oppervlaktespanning te overwinnen.

 

Ditzelfde effect houdt apolair zand droog. Watermoleculen hechten zich niet aan individuele korrels of stromen ertussen. Andere vloeistoffen zullen echter weken in apolair zand. De apolaire aard van olie wordt bijvoorbeeld aangetrokken door niet-polair zand en zorgt er dus voor dat het zand grote hoeveelheden olie kan absorberen.