Je hebt het misschien wel eens gezien: laat waterdruppels in een gloeiend hete pan vallen en ze rollen door de pan in plaats van in een plasje te blijven liggen. Oorzaak is een damplaagje dat zich, als de oppervlakte van de pan heet genoeg is, om de druppels vormt en deze als het ware ‘optilt’. Alsof de druppels op een kussentje liggen. Dit fenomeen staat bekend als Leidenfrost-effect, naar de scheikundige Johann Gottlob Leidenfrost die het in 1765 voor het eerst beschreef.
In het toptijdschrift Nature beschrijven onderzoekers van onder andere de Northwestern University (VS) deze week een oppervlak speciaal ontworpen om vloeistoffen in constante aanwezigheid van zo’n damplaag te laten koken. De damplaag blijft op zijn plaats totdat het oppervlak is afgekoeld tot aan het kookpunt van water. Het risico op explosies is dan geweken.
Explosief
Wanneer ontstaat zo’n damplaag precies? Stel je een pan voor die langzaam verhit wordt terwijl je er waterdruppels op laat vallen. Als de pan heet genoeg is zullen de druppels gaan koken, en de bekende belletjes damp zullen tevoorschijn komen. Voor je het weet is de druppel door verdamping verdwenen. Dit is de ‘bubbelende fase’ van koken zoals we die allemaal wel kennen.
Maar wordt de temperatuur van de pan verder opgevoerd, totdat deze veel heter is dan het kookpunt van water, dan gebeurt er iets opvallends. Laat je nu een waterdruppel in de pan vallen dan ontstaat er een damplaagje tussen de pan en de druppel. Deze damplaag werkt isolerend en vertraagd de warmteoverdracht van de pan naar de vloeistof. Resultaat? Een druppel, drijvende op een dampkussentje, die kookt zonder te bubbelen.
Koel je de pan vervolgens weer af tot onder een kritieke temperatuur, de zogenoemde ‘Leidenfrost-temperatuur’, dan stort de damplaag in elkaar. Dit gaat gepaard met een sissend geluid: de druppel raakt na ineenstorting van het dampkussentje, waarbij de damp kan exploderen, het hete oppervlak. Iets wat je onder sommige omstandigheden, zoals in kerncentrales, graag wil voorkomen.
Waterafstotend oppervlak
Het instorten van de damplaag is echter te voorkomen door het hete oppervlak te behandelen met een speciale coating, ontdekte het onderzoeksteam.
Ze brachten een coating aan op stalen bolletjes van twee centimeter doorsnede waarvan de oppervlakte sterk waterafstotend en ruw werd. De bolletjes verwarmden ze in een oven tot ongeveer 400 graden Celsius – een hogere temperatuur kan de coating niet verdragen. Om te vergelijken verhitten ze ook stalen bolletjes met een wateraantrekkende coating. Vervolgens werden de bolletjes ondergedompeld in een glazen tank met water van 22 graden Celsius. Met een hogesnelheidscamera was te zien hoe het water zich rondom de bolletjes tijdens het afkoelen gedroeg.
Wat bleek? Zowel bij de waterafstotende als wateraantrekkende bolletjes vormde zich een damplaag zodra deze in het water terecht kwamen. Maar de damplaag van de wateraantrekkende bolletjes stortte snel in waarbij explosief bubbeltjes vrijkwamen. De waterafstotende bolletjes daarentegen behielden hun damplaagje tijdens het afkoelen bij alle temperaturen boven het kookpunt van water.
Kerncentrale
Dat een ruw, waterafstotend oppervlak zo goed werkt komt doordat er maar op een paar punten contact is met het water. De warmteoverdacht van het stalen bolletje naar het water is daardoor minimaal. Een ontdekking waarmee nauwkeurig te sturen is hoe metalen afkoelen en verhitten, volgens de onderzoekers. Handig voor gebruik in sommige industriële processen, zoals die in kerncentrales waar contact van vloeibaar water met heet metaal tot explosies kan leiden.
In volgende experimenten willen de onderzoekers proberen om de damplaag tevoorschijn te toveren bij zelfs nog lagere temperaturen dan het kookpunt van water. Bij kamertemperatuur kan water bestaan als vloeistof of als damp, maar het vereist energie om in de dampfase te blijven. Toch denken ze een oppervlak te kunnen ontwerpen dat de dampfase stabieler maakt. Zo’n coating zou bijvoorbeeld een damplaag rondom de romp van een schip kunnen creëren om de weerstand van het water te verminderen. Of om algen af te houden.
Bron:
Ivan U. Vakarelski e.a., Stabilization of Leidenfrost vapour layer by textured superhydrophobic surfaces, Nature (13 september 2012, online). doi:10.1038/nature11418
Lees meer over waterafstotende coatings op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/waterafstotend.atom", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}