Onderzoekers van de UTwente zijn erachter gekomen dat perfect bolle oppervlaktedruppeltjes sneller samenvloeien dan hun plattere collega’s. Het onderzoek werd uitgevoerd met hogesnelheidscamera’s en heeft onder andere toepassingen in de print- en chipindustrie.
Het precieze gedrag van kleine druppeltjes op een oppervlak is nog steeds niet volledig begrepen.
Dutch RainmakerJacco Snoeijer is universitair hoofddocent van de vloeistoffysicagroep van de UTwente en nam met collega’s het gedrag van millimetergrootte waterdruppeltjes onder de loep op het moment dat ze samenvloeien. Vergelijkbaar onderzoek is al eerder gedaan, maar dan aan vrij zwevende druppeltjes. Nooit eerder keek men zo gedetailleerd naar het gedrag van samenvloeien van druppeltjes op een oppervlak.
Door het oppervlak met verschillende coatings te bedekken hadden de wetenschappers controle over de hoek die de rand van de druppeltjes maken met het oppervlak. En het blijkt nu dat dit in grote mate de snelheid bepaalt waarmee twee aan elkaar grenzende druppeltjes samenvloeien. Een druppel die een perfecte ‘halve bolvorm’ heeft vloeit veel sneller samen dan een druppel die als het ware wat platter is en zo een kleinere hoek met het oppervlak heeft.
Rain-X uit de winkel
Soms verrassend simpel zijn de methodes die Snoeijer gebruikte. Om bijvoorbeeld de perfecte ronde druppels te maken werd het oppervlak met een waterafstotend goedje behandeld dat normaal gesproken dient om de voorruit van de auto druppelvrij te houden. “Rain-X is gewoon in de winkel te koop, maar het bleek uitstekend om een voldoende hydrofoob oppervlak te maken”, zegt Snoeijer. “Een oppervlakte waar druppels niet aan blijven kleven en dus een zo rond mogelijke vorm aannemen.”
Die druppels werden vervolgens bij elkaar gebracht en onder de loep genomen. Maar aangezien het samenvloeien van zulke kleine druppels een snel proces is moest er gebruik worden gemaakt van hogesnelheidscamera’s. Daarmee konden Snoeijer maar liefst 200.000 beelden per seconde schieten. Genoeg om de druppels bij het afspelen in slowmotion tot in detail te zien samenvloeien en te kunnen bestuderen.
http://youtu.be/04ml-TkBbYA
Snoeijer: “Tien jaar geleden waren hogesnelheidscamera’s nog niet in staat om deze snelle processen goed in beeld te brengen. Het is waarschijnlijk een van de redenen dat dit onderzoek nog niet eerder is gedaan. Maar het is natuurlijk ook een kwestie van waar de interesses van de industrie en het hele onderzoeksveld naar toe bewegen.”
Betere printers en snellere chips
Hoewel het onderzoek vooral nieuwe kennis van de vloeistofdynamica genereert is de toepassing van de kennis al redelijk dichtbij, volgens Snoeijer. “Fabrikanten van bijvoorbeeld inkjetprinters zijn zeer geïnteresseerd in dit onderzoek. Ze kunnen hiermee beter voorspellen wat er gebeurt als ze iets proberen af te drukken op gladde oppervlaktes. Die printer legt grote hoeveelheden minuscule druppeltjes neer die in principe kunnen samenvloeien. Precies die menging van kleuren wil men voorkomen, en met deze nieuwe kennis kan dat beter bestreden worden.”
Maar naast bijvoorbeeld printerfabrikant Océ staat ook het Nederlandse ASML in de rij voor de onderzoeksresultaten van Snoeijer. Deze chipbouwer maakt gebruik van zogenoemde immersielithografie waarbij een dun laagje water als een soort lens wordt gebruikt om nog kleinere details op een computerchip te kunnen produceren. En uit kennis over het gedrag van dat water kunnen uiteindelijk weer kleinere en snellere chips vloeien.