Eén worden, als twee druppels water

De Twentse onderzoekers lieten waterdruppels op de punt van een naald ontstaan. Deze druppels vielen op een oppervlak, dat achtereenvolgens met verschillende coatings bedekt was. Door de chemische samenstelling van de gebruikte coating te veranderen, konden de onderzoekers de contacthoeken tussen de druppels en het oppervlak variëren. De vorm van de druppels veranderden ze door de naaldjes omhoog en omlaag te bewegen. Op deze manier konden de fysici heel gedetailleerd de invloed van de geometrie van de druppels op de snelheid en manier van samenvloeiing bepalen.

Meteen na het eerste contact tussen de twee druppels ontstaat op het oppervlak een brug. Voor contacthoeken kleiner dan negentig graden schaalt de hoogte van deze brug met de tijd tot de macht tweederde. Zodra de contacthoek van de druppel met het oppervlak echter exact negentig graden wordt, wat overeenkomt met perfect half-bolvormige druppels, schaalt de hoogte van deze brug met de tijd tot de macht een half. Dat betekent dat bolvormige druppels sneller samenvloeien dan druppels met een asymmetrische vorm. Dit resultaat klopt met eerder gemeten resultaten aan vrij zwevende druppels, die als gevolg van de oppervlaktespanning perfect bolvormig zijn.

Vidi-project

Het onderzoek maakt deel uit van het Vidi-project van voormalig FOM-oio dr.ir. Jacco Snoeijer, waarbinnen hij de beweging van vloeistoffen over oppervlakken bestudeert. Het gedrag van vloeistofdruppels is niet alleen bepalend voor alledaagse fenomenen als condensatie en wolkenvorming. Hoe snel individuele druppels samenvloeien, is ook van belang voor technologische toepassingen. Bij het Vidi-project van Snoeijer zijn dan ook printerfabrikant Océ en chipmachinefabrikant ASML betrokken. Océ wil graag begrijpen hoe inktdruppels samenvloeien, vooral op materialen waar de inkt niet direct intrekt. ASML is geïnteresseerd vanwege de immersietechnologie. Hierbij dient een dun laagje water als extra lens om nog kleinere afbeeldingen te maken.

Het Vidi-project van Snoeijer illustreert goed hoe universiteiten en bedrijfsleven kunnen samenwerken zegt hij: "Dit onderzoek is fundamenteel van karakter, maar het is van direct belang voor Océ. Zij gebruiken onze resultaten nu al om de wiskundige modellen te valideren waarmee zij het gedrag van hun inkten voorspellen."

‘Influence of Droplet Geometry on the Coalescence of Low Viscosity Drops,’ A. Eddi, K.G. Winkels en J.H. Snoeijer, Phys. Rev. Lett
Het onderzoek is mede gefinancierd door FOM, ASML, en Océ.

Filmpjes om te downloaden

Water_wedges_73degress_Fig2.mov: Bij een contacthoek van 73 graden groeit de brug (onderin, in zwart) tussen beide zwarte druppels met de tijd tot de macht tweederde.
Water_spheres_90degrees_Fig3.avi: Bij een contacthoek van 90 graden, gaat de tijdsafhankelijkheid abrupt naar de tijd tot de macht een half.

Beide filmpjes zijn gemaakt met een high speed camera, met 200.000 frames per seconde. De filmpjes worden 10.000 keer vertraagd afgespeeld.