Een druppel die valt op een oppervlak dat aanzienlijk onderkoeld is, blijkt te bevriezen op een manier die nog nooit eerder is waargenomen. In plaats van de bekende groei van kristallen, een kouder oppervlak resulteert in bewegende cirkelvormige ijsfronten. Deze fronten bewegen vanuit het midden naar de rand van de vriesdruppel. Wetenschappers van de Universiteit Twente en het Max Planck Centre for Complex Fluid Dynamics hebben dit effect voor het eerst aangetoond, en een verklaring geven voor het fysieke mechanisme dat betrokken is bij de laatste Proceedings van de National Academy of Sciences .

Als er regen valt op een oppervlak dat nog bevroren is, het maakt de weg in korte tijd erg glad. Dit is een voorbeeld van vloeistofdruppels die vallen op een oppervlak met een temperatuur onder het smeltpunt - het is 'onderkoeld'. Het bevriezen van de druppel en kristallisatie roepen de stervormige dendritische structuren op die vaak worden waargenomen in sneeuwvlokken. Als het oppervlak kouder is, echter, de druppel bevriest niet alleen sneller, maar het mechanisme verandert, ook. Op een oppervlak dat koud genoeg is, doet zich een opmerkelijk fenomeen voor:vanuit het centrum van de druppel, ijsfronten bewegen naar de rand terwijl de druppel zich nog steeds verspreidt. Dit gebeurt herhaaldelijk, totdat de druppel volledig is bevroren.

Van onderaf filmen

De UT-onderzoekers zagen dit door het bevriezen van de druppel van onderaf te filmen, precies aan de oppervlakte. Laserlicht wordt gereflecteerd op de interface en gefilmd met een hogesnelheidscamera. Dit wordt ook wel totale interne reflectie (TIR) ​​genoemd, en is gebaseerd op dezelfde methode die wordt gebruikt voor het nemen van vingerafdrukken. In de experimenten, de vallende druppel is van hexadecaan, met een smeltpunt van 18 graden Celsius. De golven werden waargenomen toen de oppervlaktetemperatuur werd verlaagd tot 11 graden onder dit punt.

Interne stroom

In hun theoretische uitleg in PNAS , laten de UT-wetenschappers zien dat de druppel het koudst is op het inslagpunt, dat is, middenin. Hieromheen vormen zich kristallen, maar op het zelfde moment, de interne vloeistofstroom duwt ze tot het uiterste. Dit proces blijft zich herhalen totdat de hele druppel bevriest. De studie onthult ook dat de temperatuur van het oppervlak de manier verandert waarop de gestolde druppel zich aan het oppervlak hecht, waardoor het gemak verandert waarmee het kan worden "afgepeld".

Het onderzoek geeft niet alleen fundamenteel inzicht in het proces van invriezen, het zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwikkelen van anti-ijsvormingsoppervlakken zoals die voor vliegtuigen. Het kan 3D-printtechnieken verbeteren die gebruik maken van het stollen van gesmolten was. En het kan helpen om extreme ultraviolette lithografie (EUV) te bevorderen voor de productie van chips. Daar, gesmolten metalen druppeltjes die stollen op spiegels kunnen het hele proces belemmeren.

De krant, "Snelvriezende kinetiek in een druppel die inslaat op een koud oppervlak, " is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).