Ribbels als choreograaf van de druppel

Natuurkunde Een spiraalvormig patroon laat druppels die erop vallen rondtollend terugkaatsen.

Beelden uit een filmpje van een gekleurde vloeistofdruppel die terugkaatst van een oppervlak. Door de structuur van het oppervlak maakt de druppel een pirouette.
Beelden uit een filmpje van een gekleurde vloeistofdruppel die terugkaatst van een oppervlak. Door de structuur van het oppervlak maakt de druppel een pirouette. Foto’s Yanlin Song

Een druppel raakt het oppervlak. De vloeistof spreidt uit tot een pannekoek. Snel trekt de druppel weer terug en bereidt zich voor op de terugkaatsing omhoog. Dan gebeurt er iets geks. De druppel beweegt niet in een rechte lijn omhoog, maar begint te tollen.

De draaiende druppel is niet toevallig ontstaan. Chinese onderzoekers van de Chinese Academy of Sciences en de Tsinghua University hebben een oppervlak zo bewerkt dat de beweging gestuurd wordt. Dit doen ze door op een waterafstotend oppervlak een spiraalpatroon te tekenen met een kleverig materiaal. Het gedeelte van de druppel dat op de spiraal landt, blijft daardoor langer aan het oppervlak plakken dan de rest van de vloeistof, die zich snel losmaakt van de afstotende ondergrond. Dit onderzoek verscheen dinsdag in Nature Communications.

Miezerige motregen

Wanneer een druppel vloeistof op een hard oppervlak valt kan hij terug omhoog stuiteren of uit elkaar spatten. Wat er gebeurt hangt af van de grootte en samenstelling van de druppel en van het soort oppervlak. Van miezerige motregen wordt je jas bijvoorbeeld natter dan van dikke druppels. Grote druppels kaatsen van je jas af waardoor een deel ervan wegvliegt, terwijl de kleine motregendruppeltjes op je jas uiteenspatten en door de stof opgezogen worden.

Het controleren van de manier waarop druppels spatten, speelt een rol bij inkjetprinters en bij het ontwerpen van materialen die waterafstotend zijn of die ijsgroei tegengaan, bijvoorbeeld op vliegtuigvleugels. Maar het gedrag van druppels is lastig in de hand te houden omdat ze gemakkelijk vervormen en slechts kort contact maken met een oppervlak.

Concrete toepassingen van het druppelonderzoek zijn er nog niet

De Chinese onderzoekers lukte het wel. Door het spiraalpatroon aan te passen konden ze het gedrag van terugkaatsende druppels nauwkeurig sturen. De grootte van de spiraal bepaalt hoe snel een druppel rondtolt. De maximale draaisnelheid, van ruim 120 keer per seconde , haalt de druppel als de straal van de spiraal 3,5 millimeter is. Als de spiraal groter of kleiner is, dan draait de druppel langzamer rond zijn as. Door alleen rechts of alleen links een spiraalarm te tekenen, wordt een druppel zijwaarts teruggekaatst. Afhankelijk van de vorm van die enkele spiraalarm kan de druppel niet alleen om zijn verticale, maar ook om zijn horizontale as draaien. En het aantal spiraalarmen bepaalt hoeveel lobben de druppel heeft die teruggekaatst is van het oppervlak.

Energie opwekken

Concrete toepassingen zijn er nog niet voor dit druppelonderzoek. Wel laten de onderzoekers in het laatste gedeelte van hun artikel zien dat de rotatie gebruikt kan worden om energie op te wekken. De rotatie van de terugkaatsende druppel levert een tegengestelde rotatiekracht op het oppervlak waar die van afkaatst (actie is reactie). Als de ondergrond dun en licht genoeg is, kan het door die kracht in beweging worden gebracht.

In theorie kan de draaiing van het oppervlak gebruikt worden om een stroom op te wekken, net als bij een dynamo. De vraag is wel hoe je zoiets zou kunnen toepassen. Vanwege de kleine schaal en de kwetsbaarheid van dit systeem het lijkt onwaarschijnlijk dat de daken binnenkort vol staan met apparatuur met daarin kleine, lichte plaatjes om bijvoorbeeld energie op te wekken uit regendruppels.