Een druppeltje olie dat wordt neergelegd op een zeer 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’.

Hete plaat

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 extreem koud oppervlak? Op een bad van vloeibare stikstof (–196 °C) plaatste UT-onderzoeker Anaïs Gauthier een druppeltje siliconenolie op kamertemperatuur. Wat blijkt? Dat druppeltje bevriest niet ter plekke, maar gaat na enkele seconden spontaan en met constante snelheid bewegen, om vooreerst niet tot stilstand te komen. Dit lukt overigens ook met een druppeltje ethanol (alcohol). Zelfs als het uiteindelijk wél bevriest, blijft het druppeltje in rechte lijnen bewegen, 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.

Biologische materialen

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. Het onderzoek is uitgevoerd binnen de groep Physics of Fluids, onderdeel van het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente. De paper ‘Self-propulsion of inverse Leidenfrost drops on a cryogenic bath’ is gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS).

Bron: Universiteit Twente
 

(Video: Universiteit Twente)