Oppervlak versnelt condensatie van water

Talloze industriële processen maken gebruik van het neerslaan van waterdruppels op een oppervlak. Technici willen dit proces maar wát graag versnellen. Onderzoekers van Harvard University hebben nu een slim oppervlak ontworpen waarop druppels zich tien keer sneller vormen, waarna ze er vanaf glijden.

Haal eens een blikje drank uit de koelkast en zet het een tijdje op het aanrecht. Goed kijken. Vrij snel vormt zich op het blik een waas, een dunne laag bestaande uit minuscule waterdruppeltjes. Het is de waterdamp uit de lucht die condenseert op het veel koudere oppervlak. Als je lang genoeg wacht, krijgen de druppels een kritische grootte waarbij ze één voor één naar beneden glijden, en passant een hoop andere druppels met zich meeslepend.

Dit proces wordt gebruikt in een breed scala aan (industriële) toepassingen. Bij condensors bijvoorbeeld, die de warmte afvoeren in koelkasten, airconditioning-systemen en elektriciteitscentrales. Tot de verbeelding spreken ook systemen die water uit de lucht winnen en je zo in droge gebieden aan zoet water helpen.

Woestijnkever

De mens heeft het gebruik van condensatie niet zelf bedacht. Door evolutie zijn in verschillende organismes oppervlakken ontstaan waarop waterdamp neerslaat en de druppels vanaf glijden. Zo is daar de Namibische woestijnkever, op wiens bolle rugschild waterdruppels ontstaan; wanneer ze naar beneden glijden, drinkt de kever ervan. En neem de bekerplant, die vooral uitblinkt door zijn ultragladde binnenoppervlak, waar niet alleen water vanaf glijdt, maar waarop ook insecten spartelend ten onder gaan.

Deze organismen waren dan ook de inspiratie voor de onderzoekers van Harvard University, die vandaag in Nature hun ideeën voor een nog beter werkend oppervlak presenteren (zie het artikel Condensation on slippery asymmetric bumps).

Raster van bultjes

De Amerikanen testten verschillende concepten. Om te beginnen een raster van ronde bultjes op een dunne aluminium plaat (zie figuur hieronder). Uit experimenten bleek dat bovenop elk bultje sneller waterdruppels ontstonden dan aan de onderkant van het bultje, of op de vlakke plaat. ‘Dat komt doordat de bovenkant meer blootstaat aan de waterdamp in de lucht’, zegt eerste auteur dr. Kyoo-Chul Park. ‘Dit effect blijkt nog sterker te worden als we de bultjes kleiner maken.’

Wanneer zich echter een grote druppel bovenop het bultje had gevormd, liep de snelheid waarmee nieuwe druppeltjes ontstonden, terug. Ook daar hebben de onderzoekers iets op gevonden: een vierkant bultje, een kolom. Park: ‘De randen daarvan zijn als het ware bolvormig, maar met een zeer kleine straal. Daar zal dus snel waterdamp neerslaan. En wanneer deze kleine druppeltjes groeien, beginnen ze elkaar aan te trekken en schieten ze op een gegeven moment naar het midden van het kolommetje. Daarbij komen de hoeken weer vrij voor de vorming van nieuwe druppeltjes.’ De experimenten werden volledig bevestigd door numerieke simulaties.

We zien de druppels eraf glijden als kinderen van een waterglijbaan

Wanneer het vierkante kolommetje vol water staat, zal dat er op een bepaald moment vanaf lopen. Vanwege de symmetrie van de kolom heeft het water geen voorkeursrichting; niet bepaald handig als je deze structuur in de praktijk zou willen toepassen. Daarom maakten Park en zijn collega’s aan het kolommetje een soort glijbaan vast. Die zorgt ervoor dat de dikke druppel bovenop wel via die kant omlaag móet glijden. ‘We zien de druppels eraf glijden als kinderen van een waterglijbaan’, zegt Park lachend.

Bovenaanzicht van een kolommetje met een helling eraan. Op de momentopnames is te zien hoe zich door condensatie een grote druppel vormt, die vervolgens van de helling afglijdt.

Afschudden van waterdruppels

Om het afschudden van waterdruppels nog wat makkelijker te maken, hebben de onderzoekers het gladde oppervlak van de bekerplant nagemaakt. Door aluminium 10 min lang in kokend water te houden, ontstaat een oxidelaagje met chaotische structuurtjes van ongeveer 100 nm groot. Hierop brachten ze een smeermiddel aan, wat het aluminium sterk waterafstotend maakt.

De onderzoekers van Harvard concluderen na metingen dat hun ontwerp zo’n zes keer sneller water kan laten condenseren dan bestaande materialen. Nu hun ideeën voor creatief gevormde oppervlakken met patronen van slim gevormde bultjes zijn gepubliceerd, kunnen (ook) anderen hierop voortborduren.