Als je iets in een koekenpan bakt en er vallen wat waterdruppels in de pan, je hebt misschien gemerkt dat die druppeltjes rondvliegen op de film van hete olie. Nutsvoorzieningen, dat schijnbaar triviale fenomeen is voor het eerst geanalyseerd en begrepen door onderzoekers van MIT - en kan belangrijke implicaties hebben voor microfluïdische apparaten, warmteoverdracht systemen, en andere handige functies.

Een druppel kokend water op een heet oppervlak zal soms zweven op een dunne dampfilm, een goed bestudeerd fenomeen dat het Leidenfrost-effect wordt genoemd. Omdat het op een dampkussen hangt, de druppel kan met weinig wrijving over het oppervlak bewegen. Als het oppervlak is bedekt met hete olie, die veel grotere wrijving heeft dan de dampfilm onder een Leidenfrost-druppel, de hete druppel zou naar verwachting veel langzamer bewegen. Maar, niet intuïtief, de reeks experimenten aan het MIT heeft aangetoond dat het tegenovergestelde effect optreedt:de druppel op olie zoomt veel sneller weg dan op blank metaal.

Dit effect, die druppeltjes 10 tot 100 keer sneller over een verwarmd olieachtig oppervlak voortstuwt dan op blank metaal, kan mogelijk worden gebruikt voor zelfreinigende of ontdooisystemen, of om kleine hoeveelheden vloeistof door de kleine buizen van microfluïdische apparaten te stuwen die worden gebruikt voor biomedisch en chemisch onderzoek en testen. De bevindingen worden vandaag beschreven in een paper in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , geschreven door afgestudeerde student Victor Julio Leon en hoogleraar werktuigbouwkunde Kripa Varanasi.

In eerder onderzoek is Varanasi en zijn team toonden aan dat het mogelijk zou zijn om dit fenomeen te benutten voor sommige van deze potentiële toepassingen, maar het nieuwe werk zulke hoge snelheden produceren (ongeveer 50 keer sneller), zou nog meer nieuwe toepassingen kunnen openen, zegt Varanasi.

Na een lange en nauwgezette analyse, Leon en Varanasi waren in staat om de reden voor de snelle uitstoot van deze druppels van het hete oppervlak te achterhalen. Onder de juiste omstandigheden van hoge temperatuur, olie viscositeit, en oliedikte, de olie zal een soort dunne mantel vormen die de buitenkant van elke waterdruppel bedekt. Als de druppel opwarmt, kleine dampbelletjes vormen zich langs het grensvlak tussen de druppel en de olie. Omdat deze minuscule belletjes zich willekeurig ophopen langs de basis van de druppel, asymmetrieën ontwikkelen zich, en de verminderde wrijving onder de bel maakt de hechting van de druppel aan het oppervlak los en stuwt het weg.

De olieachtige film werkt bijna als het rubber van een ballon, en toen de kleine dampbelletjes er doorheen barsten, ze geven een kracht en "de ballon vliegt gewoon weg omdat de lucht aan de ene kant naar buiten gaat, het creëren van een momentumoverdracht, " zegt Varanasi. Zonder de oliemantel, de dampbellen zouden gewoon alle kanten op uit de druppel stromen, het voorkomen van zelfaandrijving, maar het verhullende effect houdt ze vast als de huid van de ballon.

Het fenomeen klinkt eenvoudig, maar het blijkt af te hangen van een complexe wisselwerking tussen gebeurtenissen die op verschillende tijdschalen plaatsvinden.

Dit nieuw geanalyseerde fenomeen van zelfuitstoot hangt af van een aantal factoren, inclusief de druppelgrootte, de dikte en viscositeit van de oliefilm, de thermische geleidbaarheid van het oppervlak, de oppervlaktespanning van de verschillende vloeistoffen in het systeem, het soort olie, en de textuur van het oppervlak.

In hun experimenten, de laagste viscositeit van de verschillende oliën die ze testten, was ongeveer 100 keer viskeuzer dan de omringende lucht. Dus, men zou verwachten dat bellen veel langzamer bewegen dan op het luchtkussen van het Leidenfrost-effect. "Dat geeft een idee van hoe verrassend het is dat deze druppel sneller beweegt, ' zegt Leon.

Als het koken begint, bellen zullen willekeurig worden gevormd van een kiemplaats die niet precies in het midden ligt. Bellenvorming zal aan die kant toenemen, leidt tot de voortstuwing in één richting. Tot dusver, de onderzoekers hebben de richting van die willekeurig opgewekte voortstuwing niet kunnen controleren, maar ze werken nu aan een aantal mogelijke manieren om de directionaliteit in de toekomst te beheersen. "We hebben ideeën over hoe we de voortstuwing in gecontroleerde richtingen kunnen activeren, ' zegt Leon.

Opmerkelijk, de tests toonden aan dat, hoewel de oliefilm van het oppervlak, wat een siliciumwafel was, was slechts 10 tot 100 micron dik - ongeveer de dikte van een mensenhaar - en zijn gedrag kwam niet overeen met de vergelijkingen voor een dunne film. In plaats daarvan, door de verdamping van de film, het gedroeg zich eigenlijk als een oneindig diepe plas olie. "We waren een beetje verbaasd" door die bevinding, zegt Leon. Hoewel een dunne film ervoor had moeten zorgen dat hij bleef plakken, de vrijwel oneindige poel gaf de druppel veel minder wrijving, waardoor het sneller kan bewegen dan verwacht, zegt Leon.

Het effect hangt af van het feit dat de vorming van de kleine belletjes een veel sneller proces is dan de overdracht van warmte door de oliefilm, ongeveer duizend keer sneller, waardoor er voldoende tijd overblijft voor de asymmetrieën in de druppel om zich op te hopen. Wanneer de dampbellen zich aanvankelijk vormen op het olie-watergrensvlak, ze zijn veel meer isolerend dan de vloeistof van de druppel, leidend tot significante thermische storingen in de oliefilm. Deze verstoringen zorgen ervoor dat de druppel gaat trillen, het verminderen van wrijving en het verhogen van de verdampingssnelheid.

Er was extreem snelle fotografie nodig om de details van dit snelle effect te onthullen, Leon zegt, met behulp van een 100, 000 frames per seconde videocamera. "Je kunt de fluctuaties aan de oppervlakte zien, ' zegt Leon.

aanvankelijk, Varanasi zegt, "we waren stomverbaasd op meerdere niveaus over wat er aan de hand was, omdat het effect zo onverwacht was. … Het is een vrij complex antwoord op wat er ogenschijnlijk eenvoudig uitziet, maar het zorgt echt voor deze snelle voortstuwing."

In praktijk, het effect betekent dat in bepaalde situaties, een eenvoudige verwarming van een oppervlak, met de juiste hoeveelheid en met de juiste soort olieachtige coating, kan ertoe leiden dat corrosieve kalkdruppels van een oppervlak worden verwijderd. Verderop in de rij, zodra de onderzoekers meer controle hebben over de richting, het systeem zou mogelijk enkele hightech pompen in microfluïdische apparaten kunnen vervangen om druppeltjes op het juiste moment door de juiste buizen te stuwen. Dit kan vooral handig zijn in microzwaartekrachtsituaties, waar gewone pompen niet werken zoals gewoonlijk.

Het kan ook mogelijk zijn om een ​​lading aan de druppels te bevestigen, het creëren van een soort robotsysteem op microschaal, zegt Varanasi. En terwijl hun tests gericht waren op waterdruppels, mogelijk kan het van toepassing zijn op veel verschillende soorten vloeistoffen en sublimerende vaste stoffen, hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.