Druppel op een spijkerbed

Sommige materialen zijn bang voor water. Dat kan vierkante vlekken geven.

Margriet van der Heijden

De lotusbloem is het bekendste voorbeeld. Waterdruppeltjes rollen als knikkertjes van lotusbladeren af. Zonder een spoor achter te laten. In natuurkundige termen: de lotus is superhydrofoob. Ofwel: superwaterafstotend.

In het lab kan die eigenschap worden nagebootst met doordachte materialen, zegt Detlef Lohse. Hij is hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit Twente en staat wereldwijd te boek als bellenspecialist.

De superhydrofobe materialen uit het lab vind je in het dagelijks leven soms al terug, zegt Lohse. “Je kunt denken aan coatings op brillenglazen en autoruiten.” Die zijn niet alleen waterafstotend maar ook zelfreinigend: de druppeltjes slepen, rollend over het oppervlak, vuiltjes en stofjes mee. “Dan hoef je bril of ruit niet zo vaak schoon te maken.”

Dat ‘Lotuseffect’ hangt samen met de microstructuur van de materiaaloppervlakken, die bestaan uit ordelijk gerangschikte kleine pilaartjes. Als ze niet te ver uit elkaar staan, dan dragen die pilaartjes de druppels zoals een spijkerbed een fakir draagt.

In Physical Review Letters (PRL, 12 oktober) doen Lohse en zes Twentse collega’s nu uit de doeken wat er gebeurt in het ‘overgangsgebied’: daar waar druppeltjes net wél of net níet meer gedragen worden door de minuscule spijkertjes. Een druppel die dan naar beneden zakt, breidt zich ineens uit tot een vierkante vlek. “En dat hebben we nu heel precies in beeld kunnen brengen, en theoretisch kunnen verklaren”, zegt Lohse.

De kritische overgang van wegrollende druppeltjes en vierkante vlekken wordt gemarkeerd door één hoek, zo legt het team uit in PRL. Dat is de hoek die de druppelwand maakt met het materiaaloppervlak. En die hoek is groter naarmate de druppel zijn ronde vorm beter vasthoudt.

Twee dingen zorgen daarvoor. Ten eerste de aard van de vloeistof zelf. “Iedereen kan thuis zo nagaan”, zegt Lohse, “dat een druppeltje olie vormvaster is dan een waterdruppel. En dat een waterdruppel zich sneller uitspreidt, als je er alcohol aan toevoegt.”

Daarnaast speelt de rangschikking van de ‘spijkertjes’ mee. Staan die dicht op elkaar – op afstanden kleiner dan 2 micrometer – dan loont het voor waterdruppels niet de moeite zich ertussendoor naar beneden te wringen. Zit er telkens meer dan tien micrometer tussen de spijkertjes, dan kost het een waterdruppel juist te veel energie om netjes in vorm daarbovenop te blijven liggen.

haken

In het tussengebied is deze kosten- en batenbalans in wankel evenwicht. Een onregelmatig spijkertje waarachter de druppel blijft haken, kan de balans al laten doorslaan. “En dan verbreidt de druppel zich steeds met twee heel verschillende snelheden”, zegt Lohse.

Het duurt lang (milliseconden) eer de inzakkende druppel weer een volgende rij ‘spijkers’ raakt en ergens in de tussenruimte voor die rij naar beneden zakt. Maar is die drempel eenmaal genomen, dan loopt het water razendsnel de hele tussenruimte vóór die rij in.

Zo wordt het materiaaloppervlak stapsgewijs en rij voor rij (in vier richtingen) met water gevuld. Met een ritsende beweging als het ware, schrijft het team. En juist dat levert vierkante vlekken op.

Wat die kennis mogelijk maakt? “De vierkante vlekken hebben niet veel toepassingsmogelijkheden”, erkent Lohse. “Maar met deze inzichten kan men nog preciezer materiaaloppervlakken ontwerpen die water en vuil weren.”

Aan de beheersing waarmee de microstructuren in die oppervlakken gemaakt kunnen worden, zijn ook de onderzoeksresultaten te danken, voegt hij toe. Niet alleen druppeltjesfysici uit zijn eigen groep waren erbij betrokken, maar ook chemici uit de groep van zijn Twentse collega, hoogleraar Matthias Wessling, die materialen ‘bouwen’.

De nieuwe inzichten kunnen daarnaast helpen om gericht vloeistoffen te maken die tóch doordringen in superhydrofobe oppervlakken. Lohse: “Denk aan oplossingen van insecticiden. Die kun je door polymeren toe te voegen zo aanpassen dat de druppeltjes hun vorm sneller verliezen. Zodat ze niet van de bladeren van besproeide planten af rollen, maar de bladeren doordrenken.”