Opstijgen of exploderen – dat zijn de manieren waarop een druppel op een gloeiende plaat kan eindigen. Wat er gebeurt is afhankelijk van de druppelgrootte. Dit ontdekte een internationale groep onderzoekers met behulp van een heleboel druppeltjes, heet kwartsglas en twee hogesnelheidcamera’s.
Als je druppels op een extreem hete plaat (boven de 200°C) laat vallen, ontstaat er razendsnel een laagje damp tussen de druppel en de plaat. De druppel zweeft dan op het dampwolkje vlak boven het oppervlak. Dit heet het Leidenfrost effect.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Leidenfrostdruppels kun je thuis zelf maken door een paar druppels water in een gloeiend hete koekenpan te gooien. De druppels zullen eerst een paar seconden heen en weer schieten door de pan voordat ze verdwijnen. Ze verdampen niet meteen omdat het laagje waterdamp isoleert waardoor de vloeistof langer koud blijft. Uiteindelijk zal de hitte ze toch te veel worden en verdampen ze. Uit nieuw onderzoek blijkt dat die laatste fase soms eindigt met een knal.
Knallende druppels
De onderzoekers ontwierpen een opstelling waarbij ze de levensloop van druppels op een gloeiend hete ondergrond in detail volgen met hogesnelheidscamera’s. De druppels zweven daarbij boven kwartsglas dat verhit wordt tot bijna 300°C.
Eerst werden er kleine druppels van zuivere ethanol gebruikt. Die vallen naar het oppervlak, blijven er even boven zweven en verdampen tot ze zo klein en licht zijn dat ze opstijgen en in de lucht verdwijnen. Dit gedrag was in eerder onderzoek ook gezien. Bij grotere ethanoldruppels (met een doorsnee van meer dan 30 micrometer) gebeurde iets onverwachts, schrijven de onderzoekers. Deze druppels blijven eerst ook een tijdje zweven op hun dampwolkje waarbij ze langzaam verdampen. Maar dan spatten ze plots uit elkaar met een knal.
De onderzoekers herhaalden het experiment met verschillende andere vloeistoffen, zoals water, methanol en aceton. Bij allemaal vonden ze hetzelfde resultaat: kleine druppels stijgen op, grote exploderen.
Explosieve verontreinigingen
De vloeistoffen die de onderzoekers testten waren zo zuiver mogelijk. Toch is het onvermijdelijk dat er wat andere moleculen in zitten die de vloeistof verontreinigen. In dit experiment was één op de miljoen deeltjes een verontreiniging. ‘In grote druppels zit meer vloeistof, dus in absolute aantallen ook meer verontreinigingen’, zegt Chao Sun van Tsinghua University, een van de auteurs.
Die verontreinigingen zijn de reden dat de grotere druppels exploderen. Terwijl de druppel langzaam verdampt komen ze als een schil aan de buitenkant van de druppels terecht wat de verdamping vertraagt. ‘Daardoor wordt het damplaagje dat de druppel van de hete plaat scheidt niet meer aangevuld. Die wordt dan steeds dunner’, zegt Sun. Uiteindelijk raakt een deel van de druppel het hete oppervlak, begint daar plots te koken en knalt uit elkaar.
Het effect van verontreinigingen testten de onderzoekers door extra troep aan de druppels toe te voegen. Nog zuiverder dan de vloeistoffen al waren kregen de onderzoekers ze namelijk niet. ‘If you cannot make it better, make it worse’, zegt Detlef Lohse van de Universiteit Twente, een van de auteurs. ‘We gebruikten hiervoor een stof [titaniumdioxide] die altijd in ‘schoon’ water te vinden is. Ook in Nederland.’
Tijdens het experiment explodeerden ook kleine druppels als ze veel titaniumdioxide-verontreinigingen bevatten. Hoe schoner de druppel, hoe groter hij kan zijn zonder dat hij op een hete plaat eindigt met een explosie, concluderen de onderzoekers.
Directe toepassingen zijn er niet, vertelt Lohse. Maar het levenseinde van de zwevende Leidenfrostdruppeltjes kan bijvoorbeeld een rol spelen bij koeltechnieken, zoals koelspray. Daar belemmeren de druppels met hun isolerende damplaagje de koeling en is het handig om te weten hoe de vloeistof van het oppervlak verdampt.
