211service.com
Benieuwd naar gemorst water
Wanneer je een drankje op een tafelblad morst, verspreidt de vloeistof zich en stopt dan, waardoor er een plas met een scherpe rand achterblijft. De formules die wetenschappers gebruiken om zo'n vloeistofstroom te beschrijven, zeggen echter dat het water zich maar eindeloos moet blijven verspreiden. Iedereen weet dat dat niet het geval is, maar waarom? Het antwoord begrijpen is essentieel voor processen van het smeren van tandwielen tot het vastleggen van koolstofdioxide.
Ruben Juanes, universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek, hebben samen met afgestudeerde student Amir Pahlavan, onderzoeksmedewerker Luis Cueto-Felgueroso en professor werktuigbouwkunde Gareth McKinley, PhD '91, onlangs het antwoord gevonden op dit al lang bestaande raadsel.
Het klassieke dunnefilmmodel beschrijft de verspreiding van een vloeibare film, maar voorspelt niet dat deze stopt, zegt Pahlavan. Het blijkt dat het probleem een schaalprobleem is: wat de plas eigenlijk stopt, zijn krachten die alleen op nanoschaal werken, legt hij uit. En hoewel deze krachten minuscuul zijn, verandert hun effect het gedrag van de vloeistof op een manier die op veel grotere schaal duidelijk is.
Deze intermoleculaire krachten, die sterk afnemen met de afstand, spelen alleen een rol bij objecten die extreem dicht bij elkaar staan. Bij de rand van een plas wordt de vloeistoffilm verdwijnend dun en de boven- en onderkant raken elkaar bijna. Daar zijn de grensvlakken tussen vloeistof en vaste stof en vloeistof-lucht zo dichtbij dat de intermoleculaire krachten ze kunnen beïnvloeden. Dit zijn de ontbrekende intermoleculaire krachten in de macroscopische beschrijving, zegt Pahlavan. Hoewel bekend was dat met deze krachten rekening moest worden gehouden, waren eerdere voorgestelde modellen niet consistent met de experimentele waarnemingen. Door rekening te houden met de modificatie op nanoschaal van de oppervlaktespanning nabij de rand van de plas, lost het model van de MIT-onderzoekers veel van de inconsistenties in de vorige modellen op.
De betrokken principes zijn van invloed op veel andere situaties waarin het vermogen om te berekenen hoe een vloeistof zich zal gedragen belangrijke gevolgen kan hebben, van smering tot koelsystemen. Voor koolstofvastlegging - het verwijderen van koolstofdioxide uit de uitstoot van fossiele brandstoffen en het injecteren ervan in ondergrondse formaties - is het essentieel om te begrijpen hoe de vloeistof zich door poriën in gesteente zal verspreiden om te voorspellen hoe stabiel dit type opslag kan zijn.
Je begint met iets heel eenvoudigs, zoals het verspreiden van een plas, maar je komt uit op iets heel fundamenteels over intermoleculaire krachten, zegt Juanes. Hetzelfde proces, dezelfde fysica, zal een rol spelen in veel complexe stromen.