Druppels zoeven verticaal omhoog dankzij ladingsverschil

Foto City University of Hong Kong

Druppels die verticaal omhoog langs een oppervlak stuiteren en met een recordsnelheid over een oppervlak zoeven. Dat is mogelijk dankzij een nieuwe techniek waarbij op de ondergrond een ladingsverschil is aangebracht. Een groep Duitse en Chinese onderzoekers presenteerde dit maandag in Nature Materials.

Waterdruppels van een tot twee millimeter bewegen in het experiment over hellende, gekromde en verticale oppervlakken. Ze razen door bochten en overwinnen de zwaartekracht door langs een plafond te glijden. Op een recht oppervlak halen de druppels een recordsnelheid van 1,1 meter per seconde. In theorie kunnen ze zelfs ongelimiteerde afstanden afleggen – zolang er maar ladingsverschillen zijn aangebracht.

Druppel beweegt ondersteboven. Beeld City University of Hong Kong

Wetenschappers zoeken naar nieuwe manieren om de beweging van druppels – meestal water – over een oppervlak te controleren. Dit zou bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om computerchips te koelen of om oppervlakken schoon te maken.

Een van de methodes die nu gebruikt worden is het aanpassen van de structuur of de chemische samenstelling van het oppervlak waardoor bepaalde gedeeltes waterafstotend zijn en andere water aantrekken. Door die verschillen kunnen druppels in beweging gebracht worden. Een andere methode maakt gebruik van het Leidenfrost-effect, waarbij druppels op een heet oppervlak (ca. 200° C) zweven op een kussentje van damp. Bij beide is de transportsnelheid niet erg hoog en de afstand beperkt.

Kamertemperatuur

Druppel stuitert verticaal omhoog. Beeld City University of Hong Kong

De nieuwe techniek werkt bij kamertemperatuur. En het kost geen energie, behalve bij de apparatuur die gecontroleerd druppels laat vallen.

De onderzoekers gebruiken een oppervlak dat bestaat uit glas bedekt met een substraat waardoor het extreem olie- en waterafstotend is. Hierop lieten ze een reeks aan waterdruppeltjes vallen. De druppeltjes landen op het oppervlak, spreiden uit en kaatsen snel terug omhoog vanaf de waterafstotende laag. Het oppervlak raakt door dit korte contact licht negatief geladen. Dit komt waarschijnlijk doordat de waterdruppel positief geladen deeltjes van het oppervlak meeneemt en elektronen achterlaat met een negatieve lading. Maar hoe de oppervlaktelading precies ontstaat is „een controversieel en uitdagend onderzoeksonderwerp”, schrijven de onderzoekers.

Uit metingen blijkt in elk geval dat het oppervlak negatief geladen raakt en dat de hoeveelheid lading gecontroleerd kan worden door de grootte en de snelheid van de waterdruppels aan te passen. Door van links naar rechts de druppels van een steeds grotere hoogte te laten vallen, krijgt het oppervlak een oplopende hoeveelheid lading.

Vervolgens legden de onderzoekers een nieuwe druppel op dit geladen oppervlak. De druppel versnelde in de richting van de oplopende lading door de aantrekkingskracht van de negatieve lading. Hoe groter het ladingsverschil, hoe sneller de druppel over het oppervlak schiet – zelfs recht omhoog.

Druppel beweegt langs een rechte lijn. Beeld City University of Hong Kong

„Een van de toepassingen is het oppakken en verplaatsen van druppels”, mailt Wang. Een klein, geladen oppervlak wordt daarbij boven een druppel geplaatst en trekt die aan. De druppel kan vervolgens met of over dat oppervlak verplaatst worden. De druppel wordt vervolgens ergens neergelegd door de lading eraf te halen. „Door de olie- en waterafstotende eigenschappen blijft het oppervlak hierbij schoon.”