Een druppel op een ijskoude plaat

Een druppel op een ijskoude plaat heeft duidelijk meer effect dan een druppel op een gloeiende plaat: de druppel bevriest in een opmerkelijke puntige vorm. Onderzoekers van de Universiteit Twente (MESA+, Physics of Fluids) hebben, samen met collega’s uit Parijs, Brussel en München, uitgezocht hoe deze vorm ontstaat, met videobeelden en wiskundige modellen. Inzicht in de manier waarop druppels stollen is bijvoorbeeld belangrijk  voor een goede beheersing van 3D-printtechnieken. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in het toonaangevende vakblad Physical Review Letters, van begin augustus.

Het experiment is thuis in de keuken uit te voeren, met een plaat uit de vriezer - liefst kouder dan min 15 graden Celsius. Een waterdruppel die op de plaat valt, zal van onderaf bevriezen en daarbij niet rond blijven, maar gaandeweg een kegelvorm aannemen. Bestaande theorieën schoten tekort om die vorm te verklaren. Dankzij video-opnamen en wiskundige modellen hebben de onderzoekers uit de groep Physics of Fluids nu wél een verklaring gevonden. Ook kunnen zij berekenen hoe scherp de punt van de kegel is: de kegelhoek. Het onderzoek geeft daarmee bijvoorbeeld meer inzicht in ijsafzetting op vliegtuigvleugels, maar ook in 3D-printtechnieken waarbij gesmolten metaaldruppels op een gecontroleerde manier stollen.

Binnenin de druppel kijken, om een goed beeld te krijgen, is niet eenvoudig. Doordat de druppel zelf ook als lens werkt, wordt het driedimensionale beeld namelijk sterk vertekend. Daarom hebben de UT-onderzoekers ook videobeelden gemaakt van een ‘platte druppel’ in 2D: tussen twee glasplaten laten zij dan een druppel vallen op de koude plaat. Het opvriezen is dan wel goed te volgen. Wat blijkt? De scheidingslijn tussen vast en vloeibaar, het ‘stollingsfront’ maakt steeds een hoek van vrijwel 90 graden met het wateroppervlak. Dit heeft tot gevolg dat het front eerst, ten opzichte van de plaat, een bolle vorm heeft en gaandeweg overgaat in een holle vorm. Bij bevriezen neemt bovendien het volume met zo’n 10% toe, zodat het ijs uiteindelijk een uitweg zoekt via een punt. Berekeningen aan de warmteoverdracht laten zien dat de hoek van de kegel altijd op ongeveer 140 graden uitkomt, onafhankelijk van temperatuur of grootte van de druppel.