bron: Carl Koppeschaar 

Koffiepauze. Dr. Roland Hübner, een Duitse natuurkundige, staart gedachtenloos naar zijn kopje en probeert zijn koffie af te koelen. In plaats van te roeren, speelt hij met zijn lepeltje ‘waterval’. Zoals iedere natuurkundige weet, is het telkens oplepelen en weer laten terugvallen óók een methode om hete vloeistof af te koelen.

Plotseling lijkt hij als door de bliksem getroffen. De neergevallen druppeltjes blijven op de koffie drijven. Ze rollen zelfs als kogeltjes over het oppervlak rond! Waarom
worden ze niet onmiddellijk door de rest van de koffie opgenomen? Een slecht afgewassen kopje misschien, waardoor nog wat vuil drijft op het vloeistofoppervlak? Of is er sprake van een isolerend damplaagje? In dat geval zouden zich dansende druppels kunnen voordoen, net als bij water dat terechtkomt op een gloeiende ovenplaat. Een andere mogelijkheid is dat het te maken heeft met de zogenaamde oppervlaktespanning. Die zorgt ervoor dat elk vloeistofoppervlak zich als een strak gespannen vlies gedraagt. Maar koffie blijft koffie. Er kan dus geen verschil bestaan tussen het opgelepelde gedeelte en de rest van de vloeistof in het kopje.

 Een van de over het water rollende druppels van dr. Roland Hübner. Direct daaronder is ook de tweede vorm te zien: een inslagkuiltje van een vanaf grotere hoogte gevallen druppel, waarin de druppel onder water raakt opgesloten.

"Zulke merkwaardige druppels, die ik maar al te vaak zag rondschieten over mijn koffie, inspireerden mij tot verder onderzoek," vertelt Hübner als ik hem opbel. "Dat was gewoon
een privé-onderzoekje, hoor. Want weliswaar ben ik afgestudeerd als theoretisch natuurkundige, maar werk in het dagelijks leven als systeemanalist. Dit is echter zo’n prachtig staaltje van huis-tuin-en-keukenfysica, waarvoor je geeneens een laboratorium nodig hebt. Het enige waar je je een beetje in moet oefenen is het laten vallen van druppels vanaf verschillende hoogten. Verder is het natuurlijk zaak heel goed je ogen te gebruiken."

Wat er met druppels gebeurt die vanaf grote hoogten vallen, was natuurlijk al langer bekend. In 1876 experimenteerde de Britse natuurkundige A.M. Worthington met een speciaal daartoe ontworpen apparaat, dat heel vernuftig was opgebouwd uit waterbakjes, stellingen, hefboompjes en veren. Met dat apparaat liet Worthington druppels vanaf 40 centimeter hoogte in een kom vloeistof vallen. Toen ontdekte hij dat bij elke plons telkens dezelfde vormen ontstonden in het opspattende water.

Direct nadat een druppel het vloeistofoppervlak raakt, ontstaat bijvoorbeeld een klein kuiltje met een kroon van kleine waterdruppeltjes langs de rand. Deze vorm is maar nét met het blote oog te zien. Binnen zes honderdsten van een seconde veert de druppel daaruit omhoog en trekt een dunne sliert vloeistof uit de kom achter zich aan. Soms is ook te zien hoe de oorspronkelijke druppel zich losmaakt van die sliert. Heel even hangt hij als herboren boven de vloeistof. Dan valt hij definitief omlaag.

"Nog steeds vormen dergelijke opspattende structuren een dankbaar onderwerp voor fotografen," vervolgt Hübner. "Vooral met hogesnelheidsfotografie kun je ze prachtig beeld voor beeld bevriezen. Maar hoe meer ik met mijn eenvoudige theelepeltje experimenteerde, des te sterker kreeg ik het gevoel dat iedereen iets had gemist. Klaarblijkelijk waren alleen maar vanaf grote hoogten vallende druppels bestudeerd. Ook had niemand de moeite genomen dergelijke valpartijen eens van onder water uit te bekijken.

"Om nog even terug te komen op de over de koffie rollende bolletjes. Dat blijkt wel degelijk te maken te hebben met het niet goed afgewassen zijn van kopjes. In 1881 berichtte de Britse natuurkundige Osborne Reynolds al over ‘Zwemmende druppels op een wateroppervlak, afhankelijk van de reinheid van dat oppervlak’. Ook Reynolds bekeek het schouwspel puur van bovenaf. Zou hij – zoals ik deed – ooit door een glas naar boven hebben gekeken, dan zou hij hebben ontdekt dat zulke druppeltjes zich ook onder water kunnen voordoen."

Druppels ónder water, in één en dezelfde vloeistof? "Jazeker," vervolgt Hübner. "Probeer dat zelf maar eens met water waaraan een beetje afwasmiddel is toegevoegd. Maar wel voorzichtig roeren, want anders ontstaat er schuim op het oppervlak. Lepel nu wat van dat mengsel op, en laat dat vanaf een centimeter hoogte vallen. Er ontstaan dan wegschietende bolletjes over het wateroppervlak. Doe hetzelfde vanaf ongeveer twee centimeter hoogte. Nu hebben de druppeltjes genoeg valsnelheid om nét door de vloeistof heen te breken. Als het goed gaat, zweven ze dan onder water rond als kleine, kogelronde bolletjes.

De onderwaterdruppels blijven soms minutenlang bestaan. In tegensteling tot gewone luchtbellen zweven ze maar tergend langzaam omhoog. Volgens Hübner komt dat door een ‘dubbelvlies’ met ingesloten lucht. Op het moment dat het wateroppervlak wordt doorbroken, raakt er lucht bekneld tussen de druppel en de omringende vloeistof. Dat luchtlaagje is vermoedelijk veel minder dan een millimeter dik.

"De precieze dikte mag iemand anders eens in een echt laboratorium opmeten," besluit Hübner. "Maar dat het echt om waterdruppels in water gaat, is goed te zien op foto’s. Langs de randen van de bolletjes zie je weerspiegeling. Dat duidt op lichtbreking bij een overgang van lucht naar water. Onder een bepaalde gezichtshoek treedt daarbij volledige reflectie op."

Als ik de ‘proef van Hübner’ even later nadoe, kan ook ik mijn ogen nauwelijks geloven. Al eerder had ik wel eens de over het oppervlak ‘rondzwemmende’ druppeltjes gezien. Maar alles wat zich onder water voordeed, leek voor mij op doodgewone luchtbelletjes. Dan sta ik ook oog in oog met een knots van een onderwaterdruppel. Net als Hübner voel ik mij als een bioloog, die middenin een grote stad opeens een heel nieuw dier ontdekt.

De ontdekking van een nieuwe druppelvorm lijkt voor buitenstaanders misschien weinig spectaculair. Het is lang niet altijd duidelijk of zoiets ooit meer oplevert dan alleen
kennis of mooie plaatjes. Maar soms hebben de natuurkundigen geluk. Joseph Scrimger bijvoorbeeld, een Canadese druppeldeskundige, werd in het begin ook voor gek versleten.
Hij ging luisteren naar het geluid van vallende druppels onder water. Dat begon met het plaatsen van een hydrofoon (onder water werkend luisterapparaat) op de bodem van een meer. Daarna breidden de proefnemingen zich ook over de oceaanbodem uit.

Scrimger registreerde met zijn hydrofoon het geluid van regen, hagel en sneeuw. Daarvan legde hij geluidsspectra vast. Tot zijn verbazing waren de verschillen tussen vallende regendruppels, hagelkorrels en sneeuwvlokken zo groot, dat ze moeiteloos van elkaar konden worden onderscheiden. "Al mijn collega’s waren volkomen overdonderd toen ik ze kon laten zien dat in het water vallende neerslag zo’n gedetailleerd geluid heeft," zegt Scrimger.

Het geluidspectrum voor regen toont – als er niet al te veel wind staat – een scherpe piek bij 13,5 kilohertz. Meer wind maakt de piek wat botter. Hagel daarentegen heeft een brede piek bij 3 kHz. Sneeuw wordt luider naarmate de frequentie toeneemt. Dat wij het lawaai van vallende sneeuw niet horen, komt doordat de toonhoogten te hoog zijn voor het menselijk oor om waar te nemen.

"Als ik nu in mijn laboratorium zit en via kabels mijn hydrofoons in ver verwijderde meren beluister, weet ik precies of het daar hagelt, sneeuwt of regent. Zelfs kan ik zien hoe hard de wind daar waait," zegt Scrimger. "Daarom ben ik nu bezig dergelijke hydrofoons ook op de bodems van zeeën en oceanen af te luisteren. Wie weet krijgen we daarmee ooit een veel beter beeld van het weer op aarde. Tot nu toe moeten we het doen met wind- en regenmetingen op spaarzaam verspreide weerschepen. Weersatellieten tonen ons weliswaar wolkenpartijen van bovenaf, maar hun microgolfwaarnemingen van neerslag zijn zelden goed te ijken. Als je bedenkt dat meer dan zeventig procent van het aardoppervlak door water is bedekt, kun je nagaan hoe beperkt de weerwaarnemingen nog zijn." Als Scrimgers methode op de bodems van de wereldzeeën werkt, belooft dat in ieder geval een zeer praktische toepassing van het druppelonderzoek.

Nederlands druppelonderzoek
In 1992 promoveerde aan de TU Delft een scheikundig technoloog, die een apparaat ontwierp waarmee de kleinste druppeltjes kunnen worden gemaakt. Voor die tijd was het niet mogelijk om onder gecontroleerde omstandigheden druppeltjes kleiner dan een honderdste millimeter te maken. En dat lukte dan nog alleen door grotere druppels voor 90 procent in te dampen. Dr. Gabrie Meesters ging echter werken met hoogspanning. Een druppelende kraan vormt aan de tuit druppels, die er door de zwaartekracht afgetrokken worden. Als onder de kraan een spanningsboron wordt geplaatst, blijkt dat de druppels sneller vallen, terwijl er niets aan de kraanstand is veranderd. Dit betekent dat de druppels kleiner zijn. Hoe hoger de spanning wordt opgevoerd, des te kleiner worden de druppels.

Meesters werkte tijdens zijn proefnemingen met spanningen van rond de 10.000 volt. Een probleem dat zich echter voordeed was dat de hoog elektrisch geladen druppeltjes zich gingen hechten aan allerlei geaarde voorwerpen. Daardoor dreigde alles te mislukken. Maar uiteindelijk kon het probleem worden opgelost door onder de spanningsbron, in de baan van de druppeltjes, een geaarde naald te plaatsen. Zo ontstond de Delft Aerosol Generator (DAG), waarmee per seconde tussen de 108 en 1013 druppeltjes kunnen worden gemaakt. Deze druppeltjes hebben slechts een doornede van een duizendste millimeter en kunnen door verder indampen zelfs tot een tienduizendste millimeter worden verkleind. 

Wat zou het nut zijn van zulke kleine druppeltjes? De belangrijkste toepassing ligt op het terrein van de geneeskunde. Longpatiënten krijgen hun medicijnen door middel van verneveling rechtstreeks in hun longen toegediend. Grote druppels bereiken de longen echter maar zelden. Hoe fijner de druppeltjes die een patiënt krijgt toegediend, des te verder komen ze in de longen terecht en des te beter kan het medicijn zijn werk doen. Tot nu toe hebben de beste vernevelaars een rendement van tussen de dertig en veertig procent. Meesters apparaat haalde een rendement van tegen de 95 procent, waarmee de weg naar een preciezer dosering van medicijnen voor longaandoeningen werd geopend.