News

Waarom balletjes op een hete plaat piepen en springen

Published on July 24, 2017
Category Mechanical Metamaterials

Waterdruppels zweven in een hete pan vanwege het zogenoemde Leidenfrost-effect. Nu hebben natuurkundigen van AMOLF en Universiteit Leiden een variatie ontdekt: het Elastische Leidenfrost-effect. Het verklaart waarom zogeheten hydrogel balletjes op een hete plaat rondspringen en hoge piepgeluidjes maken. De verklaring verschijnt op 24 juli in Nature Physics.

Onderzoek komt meestal voort uit geleidelijke progressie binnen de wetenschap. Maar soms ontstaan onderzoeksprojecten uit het zien van een YouTubevideo en een plotselinge nieuwsgierige inval. Fysicus Scott Waitukaitis (Universiteit Leiden/AMOLF) kwam een filmpje tegen van stuiterende hydrogel balletjes op een hete plaat en raakte zo geïnspireerd dat hij besloot een voorstel te schrijven voor een NWO Veni-subsidie. Een jaar geleden kreeg hij de beurs.

Leidenfrost-effect
De sierlijke dans van waterdruppels in een braadpan is een bekend verschijnsel. Er is zelf een naam voor: het Leidenfrost-effect. De warme onderkant van de druppels verdampt zo snel dat ze elegant ronddrijven op een kussen van waterdamp. Hydrogel balletjes bewegen ook, maar een stuk minder elegant: ze stuiteren wild in het rond. Bovendien maken ze zelfs schreeuwende geluidjes. Waarom en hoe doen ze dit? Waitukaitis en groepsleider Martin van Hecke (Universiteit Leiden/AMOLF) ontdekten dat een onbekend effect ten grondslag ligt aan al deze paniek: het elastische Leidenfrost-effect, dat ze beschrijven in een publicatie in Nature Physics van 24 juli.

Elastisch Leidenfrost-effect
Hydrogel balletjes zijn elastische bollen van voornamelijk (98 procent) water – er is geen schil. Het water zit gevangen in een netwerk van polymeren dat zich bevindt in de hele bol, net zoals een spons water vasthoudt. Wanneer de balletjes de hete plaat raken, verdampt een klein beetje water, net als bij gewone waterdruppels. Waitukaitis gebruikte hogesnelheidscamera’s om het verdampingsproces te onderzoeken op het raakvlak tussen de bol en het hete oppervlak, en ontdekte dat de vrijgekomen waterdamp zorgt voor snelle schommelingen in druk en vervorming. De resulterende beweging geeft energie aan de bol, zodat hij kan blijven stuiteren. ‘Deze schommelingen gaan razendsnel, een paar duizend keer per seconde,’ zegt Waitukaitis. ‘Dat is wat de hoge geluidjes veroorzaakt.’

Zachte motor
Het verschijnsel brengt een nuttig concept aan het licht. Waitukaitis: ‘Effectief gedraagt de bol zich als een motor die zijn energie haalt uit het oppervlak. En het ongelofelijke is dat alle componenten van een motor, zoals de brandstof, het cilindermechanisme en de mechanische output, allemaal ingebed zijn binnen een enkele hydrogel bal.’ Omdat het mechanisme vereist dat het object squishy is, noemen de onderzoekers het een ‘zachte motor’. Dit idee kan ook bruikbaar zijn binnen andere gebieden. ‘De zachte robotica kan hier handig gebruik van maken. Je kunt bijvoorbeeld draadjes in de armen van een hydrogel robot stoppen en ze opwarmen op de plek waar je beweging wilt.’

Anders dan de naam suggereert, is het oorspronkelijke Leidenfrost-effect niet ontdekt in Leiden. Het is vernoemd naar zijn ontdekker Johann Gottlob Leidenfrost, die in de 18e eeuw in Duitsland leefde. Een dergelijke verwarring zal niet gelden voor het nieuwe elastische Leidenfrost-effect: dit is daadwerkelijk in Leiden ontdekt.

Hydrogel-bolletjes vind je vaak in vazen: als waterreservoir en ter decoratie.

Referentie
Scott R. Waitukaitus, Antal Zuiderwijk, Anton Souslov, Corentin Coulais, Martin van Hecke, ‘Coupling the Leidenfrost Effect and Elastic Deformations to Power Sustained Bouncing’, Nature Physics 2017, doi: 10.1038/nphys4194

Videomateriaal extra uitleg
https://vimeo.com/226125863
https://vimeo.com/226126174
https://vimeo.com/226126353
https://vimeo.com/226126537
https://vimeo.com/226126680

Ruw videomateriaal
https://vimeo.com/226126795