De poëzie van druppels die lucht happen

Natuurkunde

Met hogesnelheidscamera’s leggen Twentse fysici het gedrag van druppels bloot. Tijdens hun val happen die lucht.

‘Het leuke van onderzoek aan vloeistoffen is dat je op verrassende verschijnselen stuit én dat het een esthetische kant heeft”, zegt Detlef Lohse.

Lohse is hoogleraar vloeistoffysica aan de Universiteit Twente. In 2005 kreeg hij een Spinozapremie. Zijn naam staat boven ruim 300 publicaties, waaronder 7 in Nature en Science.

Ze gaan bijvoorbeeld over turbulentie in vloeistoffen, over bellen in vloeistoffen of over vloeistofdruppels. De schoonheid van zulk onderzoek blijkt uit schitterende opnames van de wervelingen in vloeistoffen, en uit met hogesnelheidscamera’s gemaakte filmpjes die gedrag van bellen en druppels onthullen dat normaal gesproken voor mensenogen verborgen blijft (zie kader).

Ook voor hun meest recente artikel (in Phys. Rev. Lett., 26 december, 2012) gebruikten Lohse en collega’s een hogesnelheidscamera. Ze lieten ermee zien hoe vallende druppels, afhankelijk van hun valsnelheid en grootte, een luchtbel ‘ophappen’, vlak voor ze ter aarde storten of op een ander oppervlak ploffen.

Harde ondergrond

Zulke druppelinslagen zijn prachtig om te zien, én het luchthap-effect is belangrijk: bijvoorbeeld in inkjetprinters en tijdens chipproductie. De Twentse druppelonderzoekers hadden en hebben daarom contact met printerbedrijf Océ en met chipmachinefabrikant ASML die het werk ook deels financierde.

Gek genoeg bleek dat uitgerekend druppels zoals in een inkjetprinter – met een straal van 10 micrometer en een snelheid van ongeveer 7 meter per seconde – het beste lucht happen. Althans, als ze op een harde ondergrond vallen. Op glas bijvoorbeeld. Tussen het glas en de vallende druppels bouwt zich extra luchtdruk op die de druppels aan de onderkant laat indeuken. Onder invloed van capillaire krachten (die water samen houden) kan het water de ingevangen lucht tijdens de landing zelfs helemaal insluiten. De druppels vallen zo niet langer plat op het glas, maar vloeien slordig uit rond de ‘opgehapte’ luchtbel.

Lohse: “Dat gebeurt niet of minder als je op papier print. Papier is poreus en luchtdoorlatend, en daarom bouwt tussen druppel en papier minder extra luchtdruk op.” Het storende luchthappen kan wél optreden als je organische stoffen print op plastic of glas – zoals bij het produceren van dunne zonnecellen en oleds, organische lichtbronnen. En juist deze toepassingen van inkjetprinters worden steeds belangrijker, zegt Lohse.

In machines voor chipfabricage, zoals ASML die bouwt, spelen druppels een andere rol. Met een ragfijne lichtbundel schrijven zulke machines tijdens een etsproces zo snel mogelijk de chippatronen op een ondergrond – een wafer. Daarbij maakt een lens de patronen nog een tikje minusculer dan de fijne lichtbundel ze toch al tekent, terwijl water tussen de wafer en de lens verdere verkleining (immersion lithography) geeft. Tenzij er druppeltjes opspatten en luchthappend weer neerstorten, wanneer die wafers in de steeds snellere machines vliegensvlug onder de lens door worden ‘getrokken’. “Zonder in geheim te houden details te treden, schuilt daarin het belang van dit soort onderzoek voor ASML”, zegt Lohse.

Hoe meet je of en hoe druppels lucht happen? De fysici richtten hun hogesnelheidscamera op de onderkant van vallende druppels van verschillend formaat. Die registreerde het patroon dat ontstaat als lichtstralen breken aan de buitenkant van de druppel, op de grens van water en lucht. Uit dat patroon leidden zij vervolgens de vervorming van de druppel af met wiskundige formules van de tweede auteur van het artikel, Roeland van der Veen (die daarvoor eerder een KNAW Jong Talentprijs won). Een door het team verfijnd fysisch model gaf daarna het verband tussen valsnelheid, druppelgrootte en de vervorming.

Twee extremen

Lohse: “We vonden twee extremen. Als een druppel klein is en langzaam beweegt, dus van niet al te grote hoogte valt, houdt de oppervlaktespanning van het water (ofwel: de capillaire krachten) de druppel rond. Als de druppel groot is en snel valt, dan is de inslag zo zwaar dat alle lucht eronder wordt weg geperst. Tussen deze uitersten happen druppels de grootste luchtbellen.”

Lohse denkt dat het fenomeen ook inzicht kan bieden in de snelheid waarmee oceanen verzuren. Dat gebeurt doordat de oceanen kooldioxide opnemen uit de lucht, en de druppeltjes die ontstaan als golven schuimig stukslaan, of als regendruppels te pletter vallen, versnellen die opname. Als ze al luchtbellen happend op het water storten, komt lucht (met de CO2) sneller in het water terecht dan via trage diffusie. Hoeveel sneller, is nu beter te kwantificeren.

Eigenlijk komen twee takken van het Twentse onderzoek zo samen – het onderzoek aan druppels en het langlopende onderzoek aan hun tegenhangers: bellen. Lohse: “Dat op zich is ook weer mooi.”

    • Margriet van der Heijden