TEMPERATUUR VAN IMPLODERENDE BELLEN BIJ CAVITATIE GEMETEN

Het lijkt onmogelijk: de temperatuur meten in een gasbelletje van een paar duizendste millimeter dat ergens in een vloeistof opduikt om razendsnel weer te verdwijnen. Dit verschijnsel, cavitatie genoemd, treedt op wanneer een vloeistof wordt blootgesteld aan intense geluidsgolven. Terwijl de belletjes imploderen wordt de beschikbare (geluids)energie enorm geconcentreerd. Daardoor worden chemische reacties in gang gezet, ruwe oppervlakken glad gemaakt, cellen opengebroken en kunnen er zelfs ultrakorte lichtflitsen worden gegenereerd (sonoluminescentie). Er zijn aanwijzingen dat de temperatuur in de gasbelletjes tot een paar duizend graden zou kunnen oplopen, maar een overtuigend experimenteel bewijs daarvoor was er nog niet.

Chemici van de universiteit van Illinois in Urbana bedachten dat je iets in het belletje moet stoppen om een indicatie te krijgen van de temperatuur die daar heerst. Daarom losten zij verbindingen van metalen als ijzer en chroom met koolmonoxyde op in siliconen-olie en bestraalden deze oplossing met geluid. Wanneer metaalatomen worden blootgesteld aan hoge temperaturen zenden ze licht uit en naarmate de temperatuur stijgt, komen er meer atomen in de hogere energieniveaus terecht. De intensiteit van de verschillende pieken in het verkregen spectrum is daarom een maat voor de temperatuur. Van oudsher wordt dit effect gebruikt om vlammen te karakteriseren, maar het blijkt even geschikt voor temperatuurmetingen in imploderende belletjes (Nature, 21 okt).

Met behulp van deze methode kreeg men een veel beter inzicht in de fysische aspecten van het cavitatieproces. Zo werd voor het eerst het effect van verschillende, in de vloeistof opgeloste gassen beproefd. Wanneer bijvoorbeeld methaan in plaats van het edelgas argon werd opgelost, daalde de temperatuur van zo'n 5000 °C tot beneden de 4000. Dat komt omdat het methaan uit vijf atomen is opgebouwd die in trilling kunnen worden gebracht. Daardoor neemt het veel gemakkelijker energie op en `koelt' het de omgeving. Ook de invloed van andere parameters, zoals de mate waarin het gas de warmte kan afvoeren, werd bestudeerd: hoe efficiënter het gas de warmte naar buiten weet te krijgen, hoe lager de temperatuur in het belletje. Toch is er nog één grote onzekere factor. Onder invloed van de hoge temperaturen treden allerlei chemische reacties op, waardoor de omstandigheden in elk belletje voortdurend veranderen. Om dat goed te kunnen volgen zal weer een nieuwe truc moeten worden verzonnen.

(Rob van den Berg)