Een weergave op nanoschaal van bellenvorming: nieuw model beschrijft het kookproces met veel grotere precisie

Wanneer een vloeistof in een vat kookt, vormen zich onderaan kleine dampbelletjes die opstijgen, waarbij warmte wordt overgedragen. Hoe deze kleine belletjes groeien en uiteindelijk loskomen, was voorheen niet tot in detail bekend.

Een Duits-Chinees onderzoeksteam onder leiding van het Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) is er nu in geslaagd dit inzicht fundamenteel uit te breiden. De bevindingen zouden kunnen worden toegepast op toekomstige koelsystemen voor microprocessors, of op de productie van koolstofneutrale waterstof, bekend als groene waterstof, zoals het team rapporteerde in de Journal of Colloid and Interface Science.

Hoe druppels of dampbellen een oppervlak nat maken, hangt af van het type en de aard van het oppervlaktemateriaal. Er vormen zich bijvoorbeeld bolvormige druppels op hydrofobe materialen, met een minimaal contactoppervlak met de basis. Bij hydrofiele materialen heeft de vloeistof echter de neiging om vlakke afzettingen te creëren – het grensvlak tussen vaste stof en vloeistof is dan veel groter. Dergelijke processen kunnen theoretisch worden beschreven door de Young-Laplace-vergelijking.

Deze vergelijking levert een contacthoek op die kenmerkend is voor druppelgedrag op het oppervlak: grote hoeken duiden op slechte bevochtiging, terwijl kleine hoeken op goede bevochtiging wijzen. Wanneer zich een dampbel vormt op een muur in een kokende vloeistof, blijft eronder een heel dun laagje vloeistof – onzichtbaar voor het oog – achter. Deze film bepaalt hoe de luchtbel groeit en hoe deze loskomt van de muur. Ook de contacthoek speelt hierbij een sleutelrol.

De onderliggende theorie is gebaseerd op een relatief eenvoudige benadering. “Het houdt rekening met zowel de druk die extern wordt uitgeoefend door de vloeistof als de dampdruk in de bel”, legt professor Uwe Hampel, hoofd Experimental Thermal Fluid Dynamics bij de HZDR, uit. “Dan is er capillaire druk, die wordt gecreëerd door de kromming van het bubbeloppervlak.”

Onlangs hebben echter een reeks experimenten met lasermeting aangetoond dat deze gevestigde theorie faalt voor zeer kleine druppeltjes en bellen: op nanoschaal weken de gemeten contacthoeken in sommige gevallen aanzienlijk af van de theoretische voorspellingen.

Een complexe interactie van moleculen

Om dit probleem op te lossen, begon het Duits-Chinese onderzoeksteam met het herzien van de theorie. Om dit te doen, hebben ze de processen die optreden wanneer een vloeistof kookt onder de loep genomen. “We hebben in detail gekeken naar het grensvlakgedrag van moleculen”, legt HZDR-onderzoeker Dr. Wei Ding uit. “Vervolgens hebben we een computer gebruikt om de interactie tussen deze moleculen te simuleren.”

Daarbij ontdekte de onderzoeksgroep een significant verschil met eerdere benaderingen: de krachten die tussen de moleculen werken, tellen niet zomaar lineair op. In plaats daarvan is de interactie veel complexer, wat resulteert in verschillende niet-lineaire effecten. Dit zijn precies de effecten waar de experts rekening mee houden in hun nieuwe, uitgebreide theorie.

“Onze hypothese biedt een goede verklaring voor de resultaten die in recente experimenten zijn verkregen”, verklaarde Ding opgetogen. “We hebben nu een veel nauwkeuriger begrip van het gedrag van kleine druppeltjes en dampbellen.”

Naast het completeren van ons begrip van de theoretische basis, houden de bevindingen ook de belofte in van vooruitgang op verschillende technologische gebieden, zoals micro-elektronica. Op dit gebied zijn processors nu zo krachtig dat ze steeds meer warmte afgeven, die vervolgens door koelsystemen moet worden afgevoerd.

“Er zijn ideeën om deze hitte te verwijderen door een vloeistof te koken”, merkte Uwe Hampel op. “Met onze nieuwe theorie zouden we in staat moeten zijn om de omstandigheden te bepalen waaronder opstijgende dampbellen warmte-energie het meest efficiënt kunnen afvoeren.” De vergelijkingen kunnen ook helpen om splijtstofelementen in een kernreactor effectiever te koelen dan in het verleden.

Efficiëntere waterstofproductie

De elektrolyse van water om koolstofneutrale waterstof te produceren, ook wel groene waterstof genoemd, is een andere mogelijke toepassing. Tijdens het splitsen van water vormen zich talloze gasbellen op de membraanoppervlakken van een elektrolyseur. Met deze nieuwe theorie lijkt het denkbaar dat deze bellen specifieker dan voorheen kunnen worden beïnvloed, waardoor in de toekomst efficiëntere elektrolyse mogelijk wordt. De sleutel tot al deze mogelijke toepassingen ligt in de selectie en structurering van geschikte materialen.

“Het toevoegen van nanogroeven aan een oppervlak kan bijvoorbeeld het losmaken van gasbellen tijdens het koken aanzienlijk versnellen”, legt Wei Ding uit. “Met onze nieuwe theorie kan een dergelijke structurering nu fijner worden afgestemd – een project waaraan we al werken.”