Onderzoekers nemen druppels met 3D-snelheidscameratechnologie nauwkeurig onder de loep

Fabian Krull (links) en professor Antonyuk onderzoeken hoe druppels op verschillende oppervlakken terechtkomen. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Er wordt gebruikgemaakt van een 3D-snelheidscamerasysteem. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Bij de lotosbladjes parelen druppels af, terwijl ze een betonnen muur wel nat maken. De oorzaak is de betreffende aard van het oppervlak. Kleine structuren zorgen er bijvoorbeeld voor dat een druppel niet blijft plakken. Onderzoekers aan de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) bestuderen deze effecten met een 3D-systeem voor hoogsnelheidscamera's. Zo zien ze wat er gebeurt wanneer druppels op verschillende oppervlakken terechtkomen. De bevindingen kunnen helpen om slijtage bij machines te verminderen of productielijnen schoon te houden. Op de processtechniekbeurs Achema in Frankfurt presenteren ze de techniek van 11 tot 15 juni op de onderzoeksstand van Rijnland-Palts (Halle 9.2, Stand A86a).

Wanneer een waterdruppel op een lotosblad valt, stuitert deze eenvoudig weg. Dit fenomeen, bekend als het Lotos-effect, berust op het feit dat het oppervlak van de bladeren kleine oneffenheden (noppen) vertoont, die er uiteindelijk voor zorgen dat druppels afrollen. De kleine structuren werden in de jaren 1970 ontdekt door de botanist Wilhelm Barthlott met behulp van een rasterelektronenmicroscoop. Het principe wordt tegenwoordig bijvoorbeeld toegepast op raampartijen of bij muurverf.

Ook aan de TU Kaiserslautern houden onderzoekers zich binnen de afdeling werktuigbouwkunde en procestechniek bezig met dit fenomeen. Ze onderzoeken hoe druppels zich gedragen wanneer ze op oppervlakken terechtkomen die verschillende gevormde microstructuren vertonen, zoals noppen, raster- of trapeziumvormen. "Het gaat om structuren die duidelijk kleiner zijn dan bijvoorbeeld de diameter van een haar," zegt Fabian Krull, die zich in het kader van zijn promotie aan de leerstoel voor Mechanische Verfahrenstechniek bij professor Dr. Sergiy Antonyuk met dit onderwerp bezighoudt. Ze liggen ongeveer tussen 100 nanometer en 10 micrometer, afmetingen die voor het menselijk oog niet zichtbaar zijn. En toch kunnen deze structuren het treffen van druppels op een oppervlak verschillend beïnvloeden.

Om dit proces in detail te observeren, worden drie high-performance camera's ingezet. "Ze maken beelden vanuit verschillende hoeken," zegt Fabian Krull. Een software combineert de gegevens vervolgens tot een 3D-beeld. "Hiermee kunnen we stap voor stap bekijken wat er gebeurt wanneer druppels op verschillende oppervlakken terechtkomen," zegt professor Antonyuk. Daarnaast simuleren de ingenieurs de val van de druppels in hun computermodellen.

Het onderzoek vindt plaats binnen het kader van de Sonderforschungsbereich 926 (SFB) "Componentenoppervlakken: morfologie op microschaal," dat wordt gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft. De bevindingen van de onderzoekers kunnen in de toekomst bijvoorbeeld helpen om de wrijving bij machines te verminderen of oppervlakken in industriële installaties zo te ontwerpen dat stof- en vuildeeltjes zich niet op machines ophopen. Ook in ziekenhuizen zouden ze kunnen worden toegepast, bijvoorbeeld om te voorkomen dat micro-organismen blijven kleven.

Op de Achema zullen de ingenieurs hun camerasysteem en hun onderzoek presenteren.