Ontbijtwetenschap: omkering van het Cheerios effect (video)

Vloeistofdruppels op een vast maar zacht oppervlak gaan de interactie aan via het ‘omgekeerde Cheerios effect', dat zodanig is te besturen dat de druppels samensmelten of juist van elkaar af bewegen. Onderzoekers van onder meer het Mesa+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente en de Queen Mary University of London publiceren over het opmerkelijke effect in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Ontbijtgranen die samenklonteren in een kom melk, dat fenomeen staat al bekend als het Cheerios effect, genoemd naar het populaire Amerikaanse ontbijtproduct. De onderzoekers introduceren nu voor het eerst het ‘omgekeerde Cheerios effect'. Volgens dit scenario zijn de rollen van vloeistof en vaste stof omgedraaid: vloeistofdruppels gaan de interactie aan als ze op een vast - maar wel zacht - oppervlak komen te liggen.

 

Het Cheerios-effect heeft, de laatste jaren, onderzoekers geïnspireerd tot een nieuwe technologie om geavanceerde materialen te maken. Het heeft fysici ook geholpen om zwaartekracht-implosies in sterrenstelsels beter te begrijpen. Op dezelfde manier, verwachten de onderzoekers, opent het ‘inverted Cheerios effect' nieuwe mogelijkheden in engineering en life sciences.

 

 

Druppels die elkaar aantrekken op een dik gel-oppervlak

   

Beslagen ruiten

Zo is het precies besturen van druppels toe te passen in technologie waarin druppels van water of andere vloeistoffen een rol spelen. Een simpel voorbeeld is een autoruit die niet meer beslaat, aldus de onderzoekers onder wie Stefan Karpitschka uit de groep Physics of Fluids van de Universiteit Twente. Ook de warmteoverdracht in boilers is bijvoorbeeld beter te reguleren, door het oppervlak zachter of harder te maken. Op welke manier de druppels bijeenkomen of uitspreiden, is te besturen via de dikte van de zachte laag.

 

Karpitschka, die onlangs van de  Universiteit Twente naar Stanford University is gegaan: "De druppeltjes vervormen het oppervlak waarop ze komen te liggen. Dankzij die vervorming ontstaat interactie. Dit heeft enige verwantschap met de algemene relativiteit, waarin we weten dat sterrenstelsels of zwarte gaten elkaar beïnvloeden doordat ze de ruimte om hen heen vervormen. In dit geval is het bijzonder dat we de interactie niet via de druppels zèlf sturen, maar door het medium aan te passen."

 

Levende cellen

Op deze manier ontstaat een nieuw vakgebied, met ook toepassingen buiten de fysica en engineering. Want: is bekend welke krachten een rol spelen bij vloeistoffen op een oppervlak, dan kunnen we bijvoorbeeld ook beter begrijpen hoe levende cellen de interactie aangaan met elkáár en met het oppervlak waarop ze leven.

 

Voor dit onderzoek hebben onderzoekers van de Physics of Fluids groep van de UT samengewerkt met collega's van de Queen Mary University of Londen, en andere onderzoeksinstellingen in Nederland, Frankrijk en de VS.

 

Het paper ‘Inverted Cheerios Effect: liquid drops attract or repel by elasto-capillarity' door Stefan Karpitschka, Anupam Pandey, Luuk Lubbers, Joost Weijs, Lorenzo, Siddharta Das, Bruno Andreotti en Jacco Snoeijer is online verschenen in de Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS).