Een waterdruppel die ‘van buitenaf’ bevriest, laat een boeiende serie snelle fysische verschijnselen zien voordat hij met geweld explodeert.
Dit laten onderzoekers van de Universiteit Twente zien in Physical Review Letters van 24 februari 2017. Hun publicatie is eruit gelicht als ‘exceptional news’.
Een perfect bolvormige druppel water die van buitenaf bevriest, vormt eerst een schil van ijs met de diameter van de druppel. Het ijs beweegt verder naar binnen en brengt het resterende water ‘in de problemen’: dat wil ook nog uitzetten, maar zit opgesloten in een harde schil. Uiteindelijk zal de druppel met kracht exploderen in kleinere ijsdeeltjes, maar wat gebeurt er voorafgaand aan de explosie?
'Supergekoelde' druppel bevriest van buiten naar binnen en explodeert. De driehoekige tip zet de kristallisatie in gang.
Schilvorming
De UT-onderzoekers hebben een bolvormig druppeltje gemaakt door het water op een hydrofoob oppervlak te plaatsen. In de vacuümkamer waarin het is geplaatst, wordt de temperatuur via verdampingskoeling tot onder het vriespunt gebracht; de druppel is ‘supergekoeld’ maar bevriest nog niet. De vorming van het eerste ijskristal in de druppel wordt geforceerd door de vloeistof even ‘aan te tikken’ met een tip van zilverjodide. Heel snel vormt zich een schil van ijs. Die schil wordt, van buiten naar binnen, dikker. Uit videobeelden blijkt dat er scheurtjes ontstaan in de schil, er ontstaat een piekvormig uitsteeksel, onder het oppervlak cavities: holten met damp. Nadat al wat ijsschilfers zijn afgeschoten, explodeert uiteindelijk de hele druppel in een aantal fragmenten met snelheden van ongeveer 1,5 m/s (5,4 km/h).
Meteo
Het wiskundig model dat de onderzoekers opstelden om hun experimenten te verklaren, laat onder meer zien dat de druppels wel groot genoeg moeten zijn voor het optreden van de explosie. Druppels kleiner dan 50 micrometer laten dit niet zien. Bij meteorologen is het bekend dat ook in de koude toppen van wolken bevriezingsexplosies kunnen optreden. Dit verschijnsel speelt een rol in de vorming van neerslag en de soms snelle overgang van een wolk met vloeibare druppels naar een wolk van ijsdeeltjes.
‘Dutch tears’
De experimenten lijken op de manier om versterkt glas te maken, al bekend uit de 17de eeuw bij glasblazers in Nederland. Druppels gesmolten glas, ondergedompeld in koud water, stollen van buiten naar binnen, waarbij ze een schil van glas vormen rondom de kern van gesmolten glas. Stollend glas zet echter niet uit maar krimpt; dat maakt de bolvorm zó sterk dat het glas zelfs niet stuk te slaan is met een hamer.
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Physics of Fluids van prof Detlef Lohse. De groep maakt deel uit van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente.
Het paper ‘Fast Dynamics of Water Droplets Freezing from the Outside In’, door Sander Wildeman, Sebastian Sterl, Chao Sun en Detlef Lohse, staat in Physical Review Letters.
