Een snelle en dunne vloeistofstraal, een ‘jet’, afgevuurd op een vloeistofdruppel, geeft fraaie effecten. Maar hoe snel moet de jet eigenlijk zijn om dwars door de druppel heen te schieten, net zoals in de legendarische experimenten waarin een kogel werd afgevuurd op een appel? En welke invloed heeft het type vloeistof? Het team van David Fernandez Rivas aan de Universiteit Twente heeft het onderzocht, met modelvoorspellingen en experimenten. Dit levert waardevolle informatie op voor de ontwikkeling van bijvoorbeeld naaldloos injecteren. Het onderzoek staat in Soft Matter.
Het was een wat rigoreuze manier om appelmoes te maken, een kogel op de appel afvuren die zich er met een snelheid van 500 m/s doorheen boorde. Harold ‘Doc’ Edgerton wist hier al in 1964 spectaculaire beelden van te maken dankzij fotografie met stroboscoopflitsers. De foto’s zijn legendarisch. Maar omdat een appel nu eenmaal niet transparant is, kun je niet zien wat er binnenin gebeurt. En dat is wat David Fernandez Rivas van de Universiteit Twente, die ook een tijdje werkte bij het Edgerton Center van MIT, wél wilde. Hij verving de appel door een druppel die hangt aan een ‘rietje’. En hij schoot daarop met een vloeistofjet. Die gaat niet zo snel als een kogel, maar er zijn opvallende overeenkomsten tussen de beelden. Uiteindelijk wil David graag weten, hoe effectief een vloeistofjet doordringt onder de menselijke huid: hoe diep kun je gaan met de vloeistof, welke snelheid is optimaal?
Boven: zelfportret van Howard 'Doc' Edgerton, 1959, met ballon en kogel. Onder, in dezelfde pose: David Fernandez Rivas, 2021. De druppel en vloeistofjet zijn te klein en te snel om met zijn smartphone vast te leggen.
Snel genoeg?
De vloeistofjet wordt gemaakt in een minuscuul kanaal op een vloeistof-chip. De vloeistof wordt verhit met een laser en verdampt. Er groeit in het kanaal een bel die de resterende vloeistof door het kanaaltje naar buiten schiet, met zo’n 20 m/s (72 kilometer per uur). Raakt deze jet de druppel, dan wordt een opening – cavity - gevormd in de druppel waardoor de jet naar binnen schiet. Bij voldoende hoge beginsnelheid schiet de jet door de vloeistof heen, bij lagere snelheden kunnen bijvoorbeeld belletjes in de druppel ontstaan: alsof de kogel in de appel zou blijven steken. De experimenten zijn gedaan voor verschillende vloeistoffen, zoals water, glycerol of vloeistoffen met daarin een polymeer. Als modellen voor menselijk weefsel en huid.
Naaldloos injecteren
In veel gevallen is er ook sprake van een ‘terugslag’. Er komt dan een jet terug uit de druppel, een Worthington jet, genoemd naar de wetenschapper die al in de negtiende eeuw schreef over druppelvorming – nog zonder hogesnelheidscamera’s, hij tekende ze geduldig met de hand. Er kan zelfs een effect optreden dat de jet er wel uitkomt aan de andere kant, maar weer wordt teruggetrokken. Dat zijn effecten die je niet wilt zien bij naaldloos injecteren: de droom waaraan David Fernandez Rivas en zijn team werken en waarvoor hij recent de Prins Friso Ingenieursprijs in ontvangst nam. De injectievloeistof fungeert dan zelf, pijnloos, als ‘naald’. Goed nieuws voor mensen die bang zijn voor naalden, het voorkomt daarnaast ongelukjes bij het prikken en reduceert de enorme afvalberg van eenmalig gebruikte naalden.
Het paper ‘Impact of a microfluidic jet onto a pendant droplet’, door Miguel Angel Quetzeri-Santiago, Ian Hunter, Devaraj van der Meer en David Fernandez Rivas, verschijnt in Soft Matter, journal van de Royal Society of Chemistry.
