Wanneer water langzaam bevriest, vormt de overgang van water naar ijs – ook wel de vriesgrens genoemd – meestal een rechte lijn. Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben laten zien hoe kleine druppeltjes die in contact komen met deze vriesgrens, onverwachte vervormingen kunnen veroorzaken. Deze nieuwe inzichten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters en bieden mogelijkheden voor toepassingen in cryopreservatie en voedseltechnologie.
Wanneer water bevriest, denken we vaak aan een voorspelbaar proces waarin ijslaagjes één voor één worden opgebouwd. Maar wat gebeurt er als de vriesgrens onderweg kleine deeltjes of druppeltjes tegenkomt? Onderzoekers van de Universiteit Twente onderzochten deze vraag en ontdekten dat druppeltjes het bevriezingsproces op een verrassende manier kunnen verstoren.
Druppeltjes vervormen ijs
In hun nieuwe onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Letters, laten wetenschappers van de Physics of Fluidsgroep zien dat druppels de vorming van de vriesgrens kunnen beïnvloeden. Wetenschappers weten al langer dat vaste deeltjes, zoals stof, de vriesgrens kunnen vervormen door verschillen in warmtegeleiding tussen het deeltje en water. Maar wanneer druppeltjes de vriesgrens bereiken, veroorzaken ze vervormingen die niet eerder nog onbekend waren, maar ook fundamenteel anders werken dan bij vaste deeltjes.
Het team ontdekte dat de interactie tussen de vriesgrens en een druppeltje complexe krachten oproept, die bekendstaan als thermische Marangoni-krachten. Simpel gezegd hangt de oppervlaktespanning van een druppel af van de temperatuur. Naarmate de vriesgrens dichterbij komt, verschilt de temperatuur aan de ene kant van de druppel van de andere kant. Dit verschil in oppervlaktespanning veroorzaakt een kracht. Deze kracht, de thermische Marangoni-kracht, zet een stroming in gang, zowel binnen als buiten de druppel. De stroming buiten de druppel duwt warmer water richting de vriesgrens, waardoor het ijs zich van de druppel weg buigt.
Mogelijke toepassingen
Deze ontdekking opent nieuwe deuren voor processen waarbij het bevriezen van druppeltjes een rol speelt, zoals in cryopreservatie en voedselverwerking. UT-onderzoeker Detlef Lohse legt uit: “Onze bevindingen helpen ons beter te controleren of deeltjes onderdeel worden van een materiaal of juist worden weggedrukt tijdens het bevriezen.” Door deze stromingsdynamiek beter te begrijpen, kunnen wetenschappers methoden ontwikkelen om processen waarbij gecontroleerd bevriezen essentieel is, efficiënter te maken.
Meer informatie
Dit onderzoek werd uitgevoerd door UT-onderzoekers Duco van Buuren, Dr. Jochem Meijer, Dr. Christian Diddens en Prof. Dr. Detlef Lohse (allen van de Physics of Fluidsgroep; Faculteit TNW) in samenwerking met Dr. Pallav Kant van de Universiteit van Manchester. Hun werk is gepubliceerd in het artikel ‘Deforming Ice with Drops’ in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.
