Het lijken wel planeten. Twee druppels bewegen in banen over een ijskoud vloeistofoppervlak. Ze trekken elkaar aan, en doordat ze ook vrijwel wrijvingsloos op hun eigen damp 'schaatsen', draaien ze in banen om elkaar heen. Een fascinerend mechanisme dat bijvoorbeeld te gebruiken is voor het prepareren en transporteren van biologische samples met een minimum aan vervuiling. Onderzoekers van de Universiteit Twente publiceren erover in Nature Communcations van 2 september.
Dat voorwerpen in een vloeistof elkaar aantrekken en samenklonteren, staat ook wel bekend als het ‘Cheerios’ effect, genoemd naar het bekende ringvormige ontbijtgraan. Toch zullen twee kogeltjes die in het water drijven, niet om elkaar heen gaan bewegen op de manier die nu wordt getoond. De wrijving is daarvoor veel te groot. Het grote verschil met de nieuw beschreven experimenten is dat de druppeltjes hier zweven op de damp die ontstaat door het temperatuurverschil van de druppel - op kamertemperatuur - en de vloeibare stikstof eronder. De druppel schaatst eigenlijk over het oppervlak, zoals een het 'schaatsenrijder' insect op water kan lopen. Met één druppel geeft dit al een opmerkelijk effect, zoals de onderzoekers in een eerdere publicatie aantoonden. Toch zou je nog steeds kunnen vermoeden dat twee druppels zich gaan gedragen als botsende biljartballen. Dat ze om elkaar heen gaan draaien, heeft alles met de oppervlaktespanning te maken. Het gewicht van de ene druppel veroorzaakt een kuilvormige vervorming van het vloeistofoppervlak waardoor de rechtlijnige beweging van de andere druppel in een kromme baan wordt omgebogen. Dit doet denken aan de algemene relativiteitstheorie waar een massa door kromming van de ruimtetijd de banen van andere massa's beïnvloedt en zo de beweging van de hemellichamen veroorzaakt.
Spiraal
De omstandigheden veranderen gaandeweg wel, want de druppel wordt steeds kouder, met gevolgen voor de snelheid en de interactie. En er ontstaat toch, hoe weinig ook, enige wrijving. En dan houdt ook de vergelijking met de planeetbanen op: de baan ziet er eerder uit als een spiraalbaan, laten berekeningen en simulaties zien. Interessant, maar ook complex, is natuurlijk de vraag wat er gebeurt met nog veel méér druppels op het oppervlak.
Invriezen
De onderzoekers verwachten dat een gecontroleerde druppelbeweging een manier kan zijn om bijvoorbeeld kwetsbare biologische samples te verplaatsen en te manipuleren zonder dat ze eerst in een buisje te hoeven worden geplaatst met kans op verontreiniging. Tijdens de verplaatsing wordt het sample dan automatisch ingevroren.
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Physics of Fluids en het Max Planck – University of Twente Center for Complex Fluid Dynamics.
Het paper ‘Capillary Orbits’ door Anaïs Gauthier, Devaraj van der Meer, Jacco Snoeijer en Guillaume Lajoinie, verschijnt in Nature Communications van 2 september.
