Golven van ijs in een druppel (video)

Onderzoekers van de Universiteit Twente en het Max Planck Center laten dit voor het eerst zien en verklaren het fenomeen in de laatste Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

We kennen het gevaar van regen die valt op een ondergrond die nog bevroren is: het wordt snel spekglad. Een druppel vloeistof die op een oppervlak valt dat kouder is dan het smeltpunt van de vloeistof, zal bevriezen of stollen. We denken daarbij aan de ‘stervormige’ patronen die ook in sneeuw zijn te zien, en die zich over de hele druppel gaan vertakken. Maar bij koudere oppervlakken gaat de bevriezing niet alleen sneller, het mechanisme verandert ook radicaal. Is het oppervlak koud genoeg, dan blijkt een opmerkelijk fenomeen op te treden: vanuit het midden van de druppel bewegen ijsfronten zich naar de rand van de druppel. Deze beweging herhaalt zich tot de druppel bevroren is. De UT-onderzoekers hebben hiervoor druppels van de stof hexadecaan bestudeerd, dat een smeltpunt van 18 graden heeft. De ‘golven’ nemen ze waar vanaf een temperatuurverschil van 11 graden.

Druppel van onderaf

Die waarneming doen de onderzoekers door vanaf de onderkant naar de stolling van de druppel te kijken met een snelle camera: precies op het grensvlak wordt laserlicht gereflecteerd en met een hogesnelheidscamera gefilmd. Dit heet ook wel ‘total internal reflection’ en kennen we van het nemen van vingerafdrukken.

Stroming

In hun verklaring in PNAS laten de UT-onderzoekers zien dat de druppel het koudst is op het punt waar het voor het eerst het oppervlak raakt, dus in het middelpunt. Rondom dat centrum treedt snelle kristalvorming op. Maar erboven is de druppel nog vloeibaar, er komt een vloeistofstroming op gang die de kristallen naar de rand duwt als een cirkelvormig front. Dit herhaalt zich totdat de hele druppel vast is, uitgespreid over het oppervlak. De temperatuur van de ondergrond bepaalt ook op welke manier gestolde druppels hecht, en daarmee het gemak waarmee ze zijn is te verwijderen.

De interactie tussen kristalvorming en de vloeistofstroom

Het onderzoek geeft bijvoorbeeld meer inzicht in de manier waarop druppels aanvriezen op een vliegtuig, waarbij kostbare de-icing noodzakelijk is. Verschillende productieprocessen maken gebruik van de omzetting van vloeibaar naar vast op een oppervlak, zoals 3D printing. En in EUV (extreme ultraviolet) lithografie, voor de fabricage van chips, wil je graag voorkomen dat gesmolten tindruppels terechtkomen op de kostbare spiegels en zo het productieproces kunnen frustreren.