Eerste kijkje tussen de druppel en de gloeiende plaat

Waterdruppels die zweven boven een gloeiend hete plaat: we kennen het van ons fornuis maar wetenschappers van de Universiteit Twente hebben nu voor het eerst de minieme ruimte onder de druppel in beeld gebracht.

Wanneer een druppel op een oppervlak valt met een temperatuur van een paar graden boven het kookpunt zal deze meteen verdampen, maar bij hogere temperaturen blijft de druppel zweven: het Leidenfrost-effect. 

"Door een optische truc kunnen we nu voor het eerst de 100 nanometer tussen de druppel en het oppervlak in beeld brengen", zegt promovendus Michiel van Limbeek tegen De Kennis van Nu. "Met een laser kunnen de overgangen tussen nat en droog in beeld worden gebracht, en dus ook of er wel of geen contact is."

Het Leidenfrost-effect ontstaat doordat er een isolerende damplaag ontstaat tussen de warme plaat en de druppel. Het fenomeen is vernoemd naar de Duitser Johann Gottlob Leidenfrost, die het in 1756 beschreef. 

Met de laser kan het Leidenfrost-effect veel beter in kaart worden gebracht en kan er dus ook gezegd worden of het wel, niet of gedeeltelijk optreedt. De onderzoekers onderscheiden hierin drie fases: contact, overgang en Leidenfrost.

Voor dit onderzoek werden druppels ethanol gebruikt die op een oppervlakte van saffier vielen. De laser die gebruikt is kan de verschillen in brekingsindex waarnemen tussen de druppels ethanol en de damp die ontstaat. 

Zo is te zien in de afbeelding dat bij een temperatuur van 150 graden de druppel volop contact maakt (rood in de afbeelding). Tussen de 170 graden en 180 graden is er een overgangsfase waarbij gedeeltelijk de druppel contact maakt en bij 220 graden treedt het Leidenfrost-effect volledig op (blauw in de afbeelding).

Het Leidenfrost-effect Universiteit Twente

De onderzoekers ontdekten dat een druppel aan de onderkant niet plat als een pannenkoek is, maar een soort omgekeerde kom vormt. In het centrum is een 'omgekeerde kuil' die verder van het oppervlakte is verwijderd.

Beter koelen

Dit onderzoek verschaft voor het eerst inzicht in hoe het nu precies zit met de overgang tussen de verschillende processen. Deze nieuwe experimenten en theorie maken het mogelijk om het effect ook in kaart te brengen voor andere vloeistoffen, oppervlakten en temperatuurgebieden. Daarmee kunnen bijvoorbeeld koelprocessen worden verbeterd. 

Michiel van Limbeek: "Bij bijvoorbeeld de warmteoverdracht in energiecentrales is dit directe contact cruciaal, als er dan een damplaagje tussen zit verlaagt dat de efficiëntie van zulke processen enorm." Dan is het Leidenfrost-effect dus niet gewenst. 

"Ook bij het koelen van staal, dat een temperatuur heeft van een paar honderd graden, kan ons onderzoek leiden tot verbeteringen in het koelproces."

STER Reclame