Je leest:

Stroming strijkt capillaire golven glad

Stroming strijkt capillaire golven glad

Microgolfjes op vloeistofoppervlakken worden door wind en stroming gladgestreken in plaats van opgejut. Die tegenintuitieve ontdekking deden vier onderzoekers van de stichting FOM, Universiteit Utrecht en de Ecole Normale Supérieure in Parijs.

In de microfluïdica, het gebied dat zich bezighoudt met het gebruik van vloeistoffen in bijvoorbeeld sensoren op microschaal, wordt het van belang goed te begrijpen hoe zeer dunne vloeistoflagen en hun grensvlakken zich gedragen. Op een dergelijk grensvlak bestaan altijd heel kleine golven, die spontaan ontstaan, zogeheten capillaire golven.

Onderzoekers van de Stichting FOM, de Universiteit Utrecht en de Ecole Normale Supérieure in Parijs hebben nu ontdekt dat het aanleggen van een stroming de capillaire golven afvlakt. Verondersteld werd dat de stroming de golven juist zou versterken, zoals een sterkere wind over een wateroppervlak tot meer en grotere oppervlaktegolven leidt. De onderzoekers deden hun ontdekking in een modelsysteem waarin, net zoals bij water en waterdamp, een vloeistof en een gas samen voorkomen. Het model heeft als voordeel dat het grensvlak tussen deze twee fasen zo ruw is dat het met een microscoop zichtbaar is. De natuurkundigen publiceren hun bevindingen in de Physical Review Letters van 21 juli 2006.

Het grensvlak van ‘gas’ en ‘vloeistof’ in een colloïd-polymeermengsel. De colloïdrijke vloeistoffase licht fel op omdat die een hoge concentratie fluorescente colloïden bevat; de gasfase is donkerder omdat de colloïdconcentratie daar lager is. Het grensvlak wordt zichtbaar gladder naarmate de afschuifstroming verhoogd wordt. bron: Stichting FOM. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Het grensvlak van twee stoffen in een verschillende fase, bijvoorbeeld een vloeistof met een gas erboven, is door willekeurige bewegingen van de moleculen constant in beweging. Het gevolg is dat spontaan microscopisch kleine fluctuaties, zogeheten capillaire golven, ontstaan. Hoe kleiner de grensvlakspanning, hoe hoger de golven en hoe ruwer het grensvlak. Anders dan bij wind, waar een sterkere wind meer en grotere golven veroorzaakt, onderdrukt een toenemende stroming op microscopische schaal de capillaire golven. Het grensvlak wordt bij meer stroming dus juist afgevlakt.

Onderzoekers van de Stichting FOM, de Universiteit Utrecht en de Ecole Normale Supérieure in Parijs hebben dit verschijnsel voor het eerst met behulp van een speciaal gebouwde opstelling in een modelsysteem waargenomen. Dat systeem bestaat uit een mengsel van colloïden – in een oplossing zwevende deeltjes – en polymeren, die ervoor zorgen dat de colloïden elkaar een beetje aantrekken. Deze aantrekking zorgt ervoor dat een dergelijk mengsel zich vanzelf opsplitst in een fase met veel colloïden en weinig polymeren (colloïdale vloeistof) en een andere fase met veel polymeren en weinig colloïden (colloïdaal gas).

Aangezien de fase met veel colloïden zwaarder is, zakt deze naar bodem van de cel en ontstaat er een horizontaal grensvlak met het colloïdale gas. Doordat colloïden veel groter en trager zijn dan moleculen is een dergelijk colloïdaal systeem heel gevoelig voor de inwerking van een extern veld en daar hebben de onderzoekers gebruik van gemaakt. Ze ontwierpen een cel waarin ze een afschuifstroming heel nauwkeurig evenwijdig aan het grensvlak konden aanleggen en in standhouden. Bovendien konden ze in de cel het grensvlak ondanks de stroming voortdurend op zijn plaats houden.

Het samenvloeien van een druppel (diameter: 16 micrometer) met een vloeistofoppervlak begint doordat twee toevallige golfjes – één op het vloeistofoppervlak en één op het druppeloppervlak – elkaar toevallig treffen. In het Utrechtse experiment is dit voor het eerst gezien. bron: FOM Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

De waarnemingen leverden een verrassing op: de afschuifstroming maakt het grensvlak niet ruwer maar gladder, zoals in de figuur zichtbaar is. Op zich zou men kunnen veronderstellen dat bij stroming meer en hogere golfjes ontstaan, maar dat bleek bij deze microscopisch kleine golven niet het geval. Wanneer er geen stroming is, uit het vrij fluctueren van capillaire golven zich in een lage grensvlakspanning. In het geval van stroming wordt het traagste deel van de golven verhinderd om vrij te fluctueren. Rekenwerk leerde de onderzoekers dat hierdoor de grensvlakspanning effectief groter wordt. Dit heeft als gevolg dat de ontstane golfjes lager worden en het grensvlak zelf gladder wordt.

Dit is interessante kennis voor het opstellen van nieuwe theorieën om de hydrodynamica van grensvlakken op microscopische schaal te beschrijven. Capillaire golven en afschuifstroming spelen ook een grote rol in het samenvloeien van druppels en in microfluïdica. Daar zou dit nieuw ontdekte verschijnsel een belangrijke rol moeten spelen.

Zie verder

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 juli 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.