Het Fenomeen van de Ononderbroken Dans: Een Druppel Siliconenolie Tart Oppervlaktespanning

Onderzoekers van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), specifiek werkzaam binnen het Laboratorium voor Technische Mechanica van Zachte Interfaces, hebben een opmerkelijke doorbraak gerealiseerd in het domein van vloeistofdynamica. Zij hebben experimenteel aangetoond dat een druppel siliconenolie, met een exacte diameter van 1,6 millimeter, in staat is om gedurende maar liefst vijf minuten, en mogelijk zelfs langer, te blijven stuiteren op een vibrerend vast oppervlak. Dit baanbrekende experiment, dat succesvol werd uitgevoerd bij kamertemperatuur, verlegt de grenzen van ons huidige begrip over de complexe interactie tussen vloeistoffen en vaste materialen.

Wat deze prestatie onderscheidt van eerdere waarnemingen – waarbij langdurig stuiteren steevast een vibrerend vloeistofbad vereiste – is de innovatieve keuze voor een vaste plaat van atomaire gladde mica als ondersteuning. Dit is een fundamentele verschuiving in de experimentele opzet. De wetenschappers stelden vast dat het dynamische gedrag van de druppel – of het nu een ritmische stuitering is die doet denken aan een stuiterende basketbal, dan wel een snelle glijbeweging op een luchtkussen – volledig en nauwkeurig wordt gereguleerd door de precieze instellingen van de frequentie en de amplitude van de trilling. Om dit gedrag te verklaren, heeft het team een geavanceerd gekoppeld lineair veermodel ontwikkeld. Dit theoretische kader is in staat om de stuitertrajecten te voorspellen, waarbij het zich baseert op de interne vervorming van de druppel zelf. Dit voegt een robuuste wetenschappelijke basis toe aan de observaties. De gedetailleerde resultaten van dit onderzoek zijn vervolgens gepubliceerd in het gezaghebbende vakblad Physical Review Letters.

Dit waargenomen effect wordt door de onderzoekers gekarakteriseerd als een kinetisch equivalent van het bekende Leidenfrost-effect. Bij het Leidenfrost-effect creëert stoom een isolerend kussen onder een druppel op een heet oppervlak. Hier echter, zorgen de kinetische krachten, die worden opgewekt door de constante vibratie van de vaste ondergrond, voor de langdurige stabilisatie van dit macroscopische fenomeen. Het is opmerkelijk hoe lang de stabiliteit behouden blijft. In een van de gedocumenteerde scenario's, specifiek bij het exciteren van de tweede sferische harmonische modus, ondergaat de druppel een transitie naar een zogenaamde 'gebonden toestand'. In deze toestand wordt de druppel effectief gefixeerd en zweeft deze stabiel boven een uiterst dunne luchtlaag. Dit mechanisme onderstreept dat de intrinsieke structuur en het vermogen van de vloeistof tot zelfdeformatie de doorslaggevende factoren zijn bij het in stand houden van deze gecontroleerde, bijna choreografische ‘dans’ op het vaste oppervlak.

De praktische waarde van deze ontdekking is aanzienlijk, met name voor sectoren die de hoogste precisie vereisen, zoals de farmaceutische industrie. De mogelijkheid om minuscule hoeveelheden vloeistof in een luchtomgeving te manipuleren zonder het risico op contaminatie of verdamping, opent nieuwe wegen voor de ontwikkeling van microdoseertechnologieën. Als bewijs van de toepasbaarheid hebben de EPFL-onderzoekers reeds met succes de zijdelingse beweging van de druppel kunnen sturen. Dit deden zij door gebruik te maken van 'pincetten' bestaande uit kleine straaltjes perslucht, wat de potentie aantoont om deze microscopische processen actief te kunnen dirigeren en beheersen.