Zie Nieuws

Nano-laagje ónder een zwevende druppel in beeld UT-onderzoek geeft beter inzicht in 'Leidenfrost-effect'

Waterdruppels boven een gloeiendhete plaat, die niet meteen verdampen maar blijven rondzweven: experimenten die het zogenaamde ‘Leidenfrost’-effect laten zien, staan garant voor mooie beelden. Voor het eerst hebben onderzoekers van de Physics of Fluid groep van de Universiteit Twente (MESA+ Instituut voor Nanotechnologie) het dunne laagje in beeld gebracht ónder de druppel, op het moment dat die op de plaat valt. Ze kunnen het effect daarmee nog beter verklaren en hebben hun bevindingen gepubliceerd in Physical Review Letters.

Een druppel water die op een oppervlak valt dat de kooktemperatuur heeft van water, zal zich uitspreiden en snel verdampen. Op een nog veel heter oppervlak gebeurt er iets anders: de druppel blijft zweven op zijn eigen damp. Daarvoor moet de temperatuur de Leidenfrost-waarde bereikt hebben. De ruimte tussen het oppervlak en de onderkant van de druppel is, bij impact, ongeveer 100 nanometer. (een nanometer is een miljoenste millimeter). Voor het eerst is het nu gelukt om ónder de druppel te kijken. “We combineren daarvoor hogesnelheidsbeelden met de techniek van TIR, total internal reflection imaging”, licht promovendus Michiel van Limbeek toe. “Via een laser kunnen we de overgangen tussen nat en droog zien, en dus ook of de vloeistof contact maakt met het oppervlak. Of, als Leidenfrost optreedt, géén contact maakt.”

Hierbij is gekozen voor druppels ethanol die op een saffieroppervlak vallen bij verschillende temperaturen. De onderzoekers onderscheiden daarbij drie verschillende boiling regimes: contact, overgang en Leidenfrost. De TIR-metingen laten zien wat de droge en natte plekken zijn op het saffier-oppervlak, dankzij het verschil in brekingsindex tussen damp en ethanol: het licht wordt alleen weerkaatst op de plekken waar damp is. Dankzij de detailinformatie die de lasermetingen geven over de hoek van inval en de diameter van de zich uitspreidende druppel, zijn deze gebieden beter dan voorheen te onderscheiden. Zo is in het overgangsgebied, vanuit het centrum van de druppel, een deel te zien dat contact maakt met het oppervlak (wetting) en een buitenste ring die al zweeft.


Druppel die op een saffieroppervlak valt, voor vier verschillende temperaturen. De onderste rijen beelden zijn gemaakt met de TIR techniek. In kleur is de hoogteschaal aangegeven (blauw is de ‘cutoff’ hoogte van 91 nanometer, de rode halve cirkels geven de rand weer van de zich uitspreidende druppel. De video laat de hoogste temperatuur zien.

Neck and dimple

Opvallende uitkomst is dat de druppel aan de onderkant niet vlak is als een pannenkoek, zoals vaak aangenomen. De beelden laten een ringvorm zien: meer precies, een combinatie van een neck, de ring waarin de vloeistof het dichtst bij het oppervlak komt, en een dimple, een ‘omgekeerde kuil’ in het centrum, waarin de vloeistof verder van het oppervlak verwijderd is. De ‘dimple and neck’ is beter in staat het Leidenfrost-effect te beschrijven dan de eenvoudige pannenkoek-benadering.

De nieuwe experimenten en theorie maken het mogelijk om het effect ook in kaart te brengen voor andere vloeistoffen, oppervlakken en temperatuurgebieden. Voor bijvoorbeeld koeltechnieken, maar ook in motoren of voor efficiëntere chemische reactoren is het belangrijk om meer grip te hebben op de warmteoverdracht tussen een vast oppervlak en een vloeistof.

Het onderzoek werd mogelijk dankzij de Stichting FOM en een Advanced Grant van de European Research Council.

Het artikel ‘Dynamic Leidenfrost Effect: Relevant Time and Length Scales’, door Minori Shirota, Michiel van Limbeek, Chao Sun, Andrea Prosperetti en Detlef Lohse, is verschenen in Physical Review Letters 116 6.

Wiebe van der Veen
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)