Delftse onderzoekers menen een al jaren lopend debat over de vraag hoe druppeltjes en gasbelletjes ontstaan in minuscule buisjes te hebben beslecht.
<![CDATA[
]]>Laat uit een
kraan thuis een klein straaltje lopen en, als het maar klein genoeg is, zie je
hoe het straaltje op een gegeven moment in druppels opbreekt. De omgekeerde
situatie, gasbellen uit een cilinder gas laten ontstaan in een vat met
vloeistof, gaat ongeveer hetzelfde.
Deze
alledaagse verschijnselen zorgen bij stromingsonderzoekers voor hoofdbrekens.
Althans, wanneer ze op piepkleine schaal – in haardikke buisjes – plaatsvinden.
Gedragen
druppeltjes en belletjes die ingeklemd zitten tussen de wanden van die buisjes
zich hetzelfde als huis-tuin-en-keuken bellen en druppels?
Die vraag
houdt de gemoederen volgens promovendus ir. Volkert van Steijn van Delft
Chemtech (Technische Natuurwetenschappen) vooral de afgelopen tien jaar flink
bezig vanwege de komst van zogenaamde labs on a chip. Dit zijn chips voorzien
van sensoren die de chemische samenstelling van piepkleine druppeltjes
vloeistof kunnen analyseren.
De vorming
van druppels werd in 1879 verklaard door de natuurkundigen Lord Rayleigh en
Joseph Plateau. Mooie kleine bolletjes bevatten de minste energie, bedacht
Rayleigh. Logisch dus dat het systeem daar naartoe neigt. Plateau voegde eraan
toe dat het evenwicht tussen de oppervlaktespanning en de viscositeit in een
straal verstoort dient te worden, om de straal op te laten breken. Hun theorie
staat bekend als de Plateau-Rayleigh instabiliteit.
Microscopisch
kleine bellen en druppels hebben nog veel meer toepassingen dan lab’s on a
chip. Een andere bekende toepassing is de inktjet-printer, waarin met hoge
precisie razendsnel piepkleine inktdruppels op papier worden gespoten. Ook kun
je kleine belletjes gebruiken om het contrast bij een röntgenanalyse te
verhogen. Een belangrijke voorwaarde hierbij is dat alle belletjes dezelfde
grootte hebben.
Onderzoekers
van de universiteit van Harvard zetten in 2005 in Physical Review Letters de
aanval in op de toepasbaarheid van deze theorie bij capillaire buisjes. Maar
onderzoekers uit Twente en Grenoble beweerden in een ander Physical Review
Letters-artikel in 2008 nog vrij overtuigend dat de negentiende-eeuwse theorie
wel degelijk stand houdt.
Het debat is
nu beslecht, menen Van Steijn en zijn collega’s prof.dr.ir. Chris Kleijn en
prof.dr.ir. Michiel Kreutzer. Net als de onderzoekers uit Harvard denken zij
dat de negentiende-eeuwse theorie niet bruikbaar is in capillaire buisjes. Op
20 november verscheen van hun hand een artikel, eveneens in het tijdschrift
Physical Review Letters.
De
wetenschappers uit Twente en Grenoble schreven dat de druppels of belletjes
weliswaar ingeklemd zitten in de buisjes, maar dat ze los komen van de wand
wanneer ze beginnen in te snoeren. Er zou daarom geen invloed van buitenaf zijn
en de theorie van Raleigh en Plateau is daarom volgens hen bruikbaar.
De Delftse
onderzoekers zoomden in op een tot dusver onderbelicht deel van de buisjes en
ontdekten een nieuw fenomeen dat er volgens hen op wijst dat de
negentiende-eeuwse theorie niet bruikbaar is.
“We
bouwden voort op het werk van de Twentenaren”, zegt prof. Kreutzer.
“Het was uitstekend onderzoek en zeer begrijpelijk dat ze op basis van hun
metingen tot die conclusie zijn gekomen. Maar wij hebben gezien dat de
belletjes insnoeren doordat op een gegeven moment vloeistof in
tegenovergestelde richting gaat stromen in de gootjes rond de straal. De straal
is rond en de buis vierkant, waardoor er ruimte – gootjes – in de hoeken
overblijft.”
Volgens de
Delftenaren is er wel degelijk een invloed van buitenaf. En de
Plateau-Rayleigh-theorie is daarom niet bruikbaar bij extreem dunne buisjes.
De
TNW-onderzoekers hebben de stromingen kunnen meten met een resolutie van een
honderdste van een millimeter en een tienduizendste van een seconde, in een
kanaal met een diameter zo groot als dat van een haar.
Ook kunnen
zij voorspellen op welk moment die stroming omdraait, de straal insnoert en hoe
groot de druppels of gasbellen worden.
Stromingsonderzoeker
Michel Versluis van de Universiteit Twente vindt dat beide onderzoeken niet met
elkaar te vergelijken zijn. “Wij hebben gekeken naar rechthoekige in
plaats van vierkante buisjes. In rechthoekige buisjes is veel meer ruimte aan weerszijden
van de gas- of vloeistofstroom.”
Zijn
onderzoeksteam is van plan om binnenkort ook een model te publiceren – wellicht
in Physical Review Letters – waarmee uit te rekenen valt hoe groot de druppels
of gasbellen worden.
————————————————————- Flows around confined bubbles and their importance in triggering
pinch-off Volkert van Steijn, Chris R. Kleijn, and Michiel T. Kreutzer Physical
Review Letters, 20 november 2009
Studentenprojecten als Nuna, Formula Student, Fomula Zero en Solar boat worden niet langer studentenprojecten genoemd maar D:Dreamteams, kort voor Delft Dream Realisation of Extremely Advanced Machines. De teams hebben een gezamenlijk onderkomen in het voormalige Stevinlab 1, nu omgedoopt tot D:Dream hall. Verder wordt gewerkt aan een speciale minor waarbinnen studenten werk voor het team kunnen combineren met relevante vakken.
<![CDATA[
]]>Laat thuis uit een
kraan een klein straaltje lopen en, als het maar klein genoeg is, zie je
hoe het straaltje op een gegeven moment in druppels opbreekt. De omgekeerde
situatie, gasbellen uit een cilinder gas laten ontstaan in een vat met
vloeistof, gaat ongeveer hetzelfde.
Deze
alledaagse verschijnselen zorgen bij stromingsonderzoekers voor hoofdbrekens.
Althans, wanneer ze op piepkleine schaal – in haardikke buisjes – plaatsvinden.
Gedragen
druppeltjes en belletjes die ingeklemd zitten tussen de wanden van die buisjes
zich hetzelfde als huis-tuin-en-keuken bellen en druppels?
Die vraag
houdt de gemoederen volgens promovendus ir. Volkert van Steijn van Delft
Chemtech (Technische Natuurwetenschappen) vooral de afgelopen tien jaar flink
bezig vanwege de komst van zogenaamde labs on a chip. Dit zijn chips voorzien
van sensoren die de chemische samenstelling van piepkleine druppeltjes
vloeistof kunnen analyseren.
<![CDATA[
]]>
De vorming
van druppels werd in 1879 verklaard door de natuurkundigen Lord Rayleigh en
Joseph Plateau. Mooie kleine bolletjes bevatten de minste energie, bedacht Plateau.
Logisch dus dat het systeem daar naartoe neigt. Rayleigh voegde eraan toe dat er
een bepaalde druppelgrootte is, net even groter dan die van het
energie-argument van Plateau, die het makkelijkst gevormd wordt. Hun theorie staat bekend als de
Plateau-Rayleigh instabiliteit.
Microscopisch
kleine bellen en druppels hebben nog veel meer toepassingen dan lab’s on a
chip. Een andere bekende toepassing is de inktjet-printer, waarin met hoge
precisie razendsnel piepkleine inktdruppels op papier worden gespoten. Ook kun
je kleine belletjes gebruiken om het contrast bij een röntgenanalyse te
verhogen. Een belangrijke voorwaarde hierbij is dat alle belletjes dezelfde
grootte hebben.
Onderzoekers
van de universiteit van Harvard zetten in 2005 in Physical Review Letters de
aanval in op de toepasbaarheid van deze theorie bij capillaire buisjes. Maar
onderzoekers uit Twente en Grenoble beweerden in een ander Physical Review
Letters-artikel in 2008 nog vrij overtuigend dat de negentiende-eeuwse theorie
wel degelijk stand houdt.
Het debat is
nu beslecht, menen Van Steijn en zijn collega’s prof.dr.ir. Chris Kleijn en
prof.dr.ir. Michiel Kreutzer. Net als de onderzoekers uit Harvard denken zij
dat de negentiende-eeuwse theorie niet bruikbaar is in capillaire buisjes. Op
20 november verscheen van hun hand een artikel, eveneens in het tijdschrift
Physical Review Letters.
De
wetenschappers uit Twente en Grenoble schreven dat de druppels of belletjes
weliswaar ingeklemd zitten in de buisjes, maar dat ze los komen van de wand
wanneer ze beginnen in te snoeren. Er zou daarom geen invloed van buitenaf zijn
en de theorie van Raleigh en Plateau is daarom volgens hen bruikbaar.
De Delftse
onderzoekers zoomden in op een tot dusver onderbelicht deel van de buisjes en
ontdekten een nieuw fenomeen dat er volgens hen op wijst dat de
negentiende-eeuwse theorie niet bruikbaar is.
“We
bouwden voort op het werk van de Twentenaren”, zegt prof. Kreutzer.
“Het was uitstekend onderzoek en zeer begrijpelijk dat ze op basis van hun
metingen tot die conclusie zijn gekomen. Maar wij hebben gezien dat de
belletjes insnoeren doordat op een gegeven moment vloeistof in
tegenovergestelde richting gaat stromen in de gootjes rond de straal. De straal
is rond en de buis vierkant, waardoor er ruimte – gootjes – in de hoeken
overblijft.”
Volgens de
Delftenaren is er wel degelijk een invloed van buitenaf. En de
Plateau-Rayleigh-theorie is daarom niet bruikbaar bij extreem dunne buisjes.
De
TNW-onderzoekers hebben de stromingen kunnen meten met een resolutie van een
honderdste van een millimeter en een tienduizendste van een seconde, in een
kanaal met een diameter zo groot als dat van een haar.
Ook kunnen
zij voorspellen op welk moment die stroming omdraait, de straal insnoert en hoe
groot de druppels of gasbellen worden.
Stromingsonderzoeker
Michel Versluis van de Universiteit Twente vindt dat beide onderzoeken niet met
elkaar te vergelijken zijn. “Wij hebben gekeken naar rechthoekige in
plaats van vierkante buisjes. In rechthoekige buisjes is veel meer ruimte aan weerszijden
van de gas- of vloeistofstroom.”
Zijn
onderzoeksteam is van plan om binnenkort ook een model te publiceren – wellicht
in Physical Review Letters – waarmee uit te rekenen valt hoe groot de druppels
of gasbellen worden.
————————————————————-
Flows around confined bubbles and their importance in triggering
pinch-off Volkert van Steijn, Chris R. Kleijn, and Michiel T. Kreutzer Physical
Review Letters, 20 november 2009
Do you have a question or comment about this article?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.