Onderzoekers van onderzoeksinstituut MESA+ zijn erin geslaagd duidelijk in kaart te brengen waarom druppels op zachte, zompige oppervlakten anders reageren dan op harde oppervlakten. Een waterdruppel beweegt bijvoorbeeld heel anders over een gelatinepudding dan over glas, maar er is in de wetenschap nooit eerder onderzocht hoe dit werkt. Beter begrip van dit fenomeen is van belang voor een scala aan toepassingen waar druppels en extreem zachte, vervormbare materialen in contact komen, zoals bij 3D printen, zachte contactlenzen of sauzen zoals mayonaise. Het resultaat werd gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
Door de oppervlaktespanning in de vloeistof ontstaan er op de zachte, zompige oppervlakte, minuscule ‘dijkjes’ aan de rand van de druppel. “Dat dijkje is er altijd, ook als de druppel stil ligt”, legt UT-onderzoeker Stefan Karpitschka uit. “Oppervlaktespanning is een kracht in het vloeistofoppervlak die ervoor zorgt dat druppels en bellen bolvormig zijn. Deze kracht is ook de reden waarom insecten op een wateroppervlak kunnen lopen. Normaliter is de kracht van de oppervlaktespanning veel te zwak om de oppervlakten onder de druppel te vervormen. Echter, voor hele zachte materialen is dit effect ineens heel belangrijk, met name voor de glijdende beweging van de druppels. De wrijving die ontstaat door het bewegen van het dijkje in de gel is namelijk veel groter dan de interne wrijving in de vloeistof.”
Als de druppel beweegt over het oppervlak, bewegen deze dijkjes mee in een golfbeweging. In sommige gevallen ‘surft’ de druppel van het dijkje naar beneden en dit zorgt voor een onverwachte, schokkerige beweging van de druppel.
3D printen, contactlenzen en mayonaise
De belangrijkste toepassing voor dit fundamentele onderzoek ligt op het gebied van inkjet printen. Daarbij worden gesmolten materialen in druppelvorm geprint, die vervolgens uitharden tot 2D afbeeldingen of 3D structuren. Het huidige onderzoek laat zien hoe de gesmolten druppels de deels uitgeharde materialen kunnen vervormen en hoe dit de druppelbeweging beïnvloedt. Andere toepassingen waarbij materialen worden vervormd onder invloed van oppervlaktespanning zijn bijvoorbeeld contactlenzen, mayonaise en de fabricage van nanostructuren op microchips.
Meer informatie
Het onderzoek getiteld ‘Droplets move over viscoelastic substrates by surfing a ridge’ werd uitgevoerd door Stefan Karpitschka en Mathijs van Gorcum onder supervisie van prof. Jacco Snoeijer, die op de Universiteit Twente actief is binnen de vakgroep Physics of Fluids en op de TU Eindhoven bij Mesoscopic Transport Phenomena. Snoeijer ontving eind 2013 een ERC Consolidator Grant, waaruit dit onderzoek is voortgevloeid. De onderzoekers richten zich op wat er gebeurt als vloeistofdruppels in contact komen met fragiele nano-structuren of zachte materialen (‘soft wetting’). Daarin wordt nauw samengewerkt met de vakgroep van Bruno Andreotti van het natuur- en scheikundige instituut ESPCI uit Parijs en met voormalig UT-postdoc Siddhartha Das, die nu voor de universiteit in Maryland, VS werkt.
Het artikel is vanaf vandaag te lezen op de website van Nature Communications, geen registratie vereist.
