Zie Nieuws

Oliedruppel gaat spontaan zweven boven ijskoud oppervlak 'Leidenfrost-effect', maar dan anders

Een druppeltje olie dat wordt neergelegd op een erg koud vloeistofoppervlak, gaat kort daarna uit zichzelf bewegen, in rechte lijnen en vele minuten lang, zelfs als het druppeltje eenmaal bevriest. Dat is eigenlijk het omgekeerde van wat er gebeurt als een druppeltje water beweegt op een heet oppervlak, het bekende ‘Leidenfrost effect’. Onderzoekers van het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente publiceren over de verrassende ‘koude versie’ van het effect in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Druppels die op een hete plaat vallen, verdampen niet razendsnel, maar worden opgetild door een soort kussentje van hun eigen damp. Dit effect van zwevende druppels heet ook wel het Leidenfrost effect, en is uitvoerig onderzocht sinds de ontdekking, in de achttiende eeuw, door de naamgever Johann Gottlob Leidenfrost. Maar wat gebeurt er nu met een druppeltje op een heel kóud oppervlak? Op een bad van vloeibare stikstof (min 196 graden Celsius) plaatste UT-onderzoeker Anaïs Gauthier een druppeltje ethanol of siliconenolie, op kamertemperatuur. Wat blijkt? Dat druppeltje bevriest niet ter plekke, maar gaat na enkele seconden spontaan en met constante snelheid bewegen, om voorlopig ook niet tot stilstand te komen. Zelfs als het uiteindelijk wél bevriest, blijft het druppeltje in rechte lijnen bewegen, tot wel tientallen minuten lang. Komt het in de buurt van de wand van het vloeistofreservoir, dan stuitert het elastisch terug.

Vormverandering

Anders dan bij het gewone Leidenfrost effect, is het niet de druppel maar het onderliggende vloeistofoppervlak dat een vormverandering ondergaat. Zo vormt zich een laagje damp tussen de koude vloeistof en de relatief warme olie. Dat feit op zich verklaart nog niet waarom de druppel dan uit zichzelf gaat bewegen, in plaats van ter plekke te bevriezen. Er moet een aanzet zijn. Uit de analyse van de camerabeelden, simulaties en wiskundige modellen blijkt dat het laagje onder de druppel niet symmetrisch is. Deze asymmetrie is de aanstichter voor de beweging: de snelheden zijn op deze manier goed te voorspellen. Aan de wanden vindt geen botsing plaats, dan zou de snelheid er veel eerder uit gaan. Ook tussen de wand en het druppeltje vormt zich een laagje damp, zodat het elastisch terugkaatst.


Het spoor dat een druppeltje ethanol aflegt op vloeibaar stikstof

koelTransport

Vervolgonderzoek moet uitwijzen wat de asymmetrie in het laagje precies veroorzaakt. Een interessante vraag is ook wat er gebeurt met meerdere druppels op het oppervlak. “De spontane beweging van druppels kan interessant zijn voor het bevriezen en transporteren, zonder vervuiling, van bijvoorbeeld biologische materialen”, aldus Anaïs Gauthier.

Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Physics of Fluids, onderdeel van het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente.

Het paper ‘Self-propulsion of inverse Leidenfrost drops on a cryogenic bath’, door Anaïs Gauthier, Christian Diddens, Rémi Proville, Detlef Lohse en Devaraj van der Meer, verschijnt op 7 januari in de Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS).

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)