Belletjesdilemma na meer dan twintig jaar opgelost

Het was een vraag die natuur- en scheikundigen al meer dan twintig jaar bezighield. Hoe kan het dat minuscule belletjes in een met gas oververzadigde vloeistof weken lang stabiel kunnen blijven, terwijl ze volgens alle theorieën eigenlijk in een fractie van een seconde zouden moeten verdwijnen. Prof.dr.ir. Detlef Lohse van UT-onderzoeksinstituut Mesa+ vond het antwoord. En dat met relatief eenvoudige wiskunde.

Als je een waterafstotend voorwerp onderdompelt in water waarin veel gas is opgelost, dan ontstaan er minuscule belletjes aan het oppervlak van dat voorwerp. Deze nanobelletjes ontstaan doordat de omliggende vloeistof zijn gas kwijt wil raken, op een zelfde manier als belletjes in een glas frisdrank ontstaan. Bij de nanobelletjes gaat het echter om belletjes met een hoogte van tien tot twintig nanometer, en daarom is de (Laplace) druk in de bel heel hoog. Volgens alle gangbare theorieën zouden de belletjes hierdoor in minder dan een milliseconde vanzelf moeten verdwijnen, aangezien het gas in de belletjes weer in het water wil oplossen.

Volgens Lohse is dit idee goed te vergelijken met een ballon, die – zelfs als je deze goed dichtknoopt – na verloop van tijd altijd leegloopt. De reden hiervoor is dat er, door diffusie en de hoge druk in de ballon, constant een beetje lucht door het rubber van de ballon ontsnapt. 

Sluitende verklaring

De nanobelletjes kunnen echter in de praktijk weken lang in stand blijven, zo werd al meer dan twintig jaar geleden waargenomen. Toch zijn wetenschappers er in die tijd niet in geslaagd om een goede sluitende verklaring te vinden voor deze lange levensduur. Met de publicatie van een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review E (Rapid Communication) geven prof.dr.ir. Detlef Lohse en prof.dr. Xuehua Zhang (die naast aan de UT ook verbonden is aan de RMIT University in Melbourne) eindelijk een verklaring voor het fenomeen. En dat op een volledig analytische methode met relatief eenvoudige wiskundige formules. 

Bollingshoek

De reden dat de belletjes lang in stand blijven heeft alles te maken met de bollingshoek van de belletjes. De stabiele belletjes hebben altijd een vaste bolling die er voor zorgt dat de in- en uitstroom van gas constant is bij een vaste bolling van de belletjes (afhankelijk van de mate van oververzadiging van de vloeistof). Er ontstaat een stabiel evenwicht dat ervoor zorgt dat de belletjes vanzelf deze bollingshoek bereiken.

Het onderzoek biedt niet alleen een antwoord op een fundamenteel natuur- en scheikundige vraag, maar heeft ook allerhande praktische toepassingen. Zo kan de kennis ingezet worden om katalytische reacties efficiënter te maken en voor flotation processen, een zuiveringstechniek die veel ingezet wordt bij de winning van mineralen. 

Onderzoek

Lohse houdt zich binnen zijn vakgroep Physics of Fluids (PoF) aan de Universiteit Twente al meer dan tien jaar met het onderwerp bezig. Bij dit onderzoek werkt hij nauw samen met prof.dr.ir. Harold Zandvliet van de vakgroep Physics of Interfaces and Nanomaterials (PIN). Het onderzoek maakt onderdeel uit van het Zwaartekrachtprogramma MCEC, waarbinnen de Universiteit Utrecht, de Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit Twente samenwerken aan het ontwikkelen van efficiënte katalyseprocessen voor verschillende energie- en materiaalbronnen, zoals fossiele brandstoffen, biomassa en zonne-energie. NWO financiert dit programma met 31,9 miljoen euro.