Bellen schieten met deeltjes
Ineenklappende luchtbellen kunnen deeltjes wegschieten. Manish Arora en Claus-Dieter Ohl, beiden werkzaam in de groep Vloeistoffysica van prof.dr. Detlef Lohse aan de Universiteit Twente, hebben in samenwerking met Knud Aage Mørch van de Universiteit van Lyngby in Denemarken, het vroege stadium van cavitatie bekeken. Zij komen tot de conclusie dat de versnelling van deeltjes wellicht gebruikt kan worden voor medische toepassingen. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in Physical Review Letters op 29 april 2004.
Cavitatie
Als een bel flink groeit en uitzet tot een aantal maal zijn eigen grootte, zal de bel na enige tijd ineenklappen. De bel focusseert de spectaculaire hoeveelheid energie die hierbij vrijkomt in een vrij klein gebied. Bellen die dit verschijnsel vertonen noemt men cavitatiebellen. Tijdens dit proces zenden de bellen zeer intensieve geluidsgolven uit, die een schokgolf teweeg kunnen brengen. Met deze concentratie van energie in de vorm van een geluidsgolf beschadigen de bellen het hardste materiaal, maken ze sieraden, siliconen wafers en textiel schoon, en zenden ze zelfs korte lichtflitsen uit. In industriële processen wordt deze techniek, die men sonoluminescentie noemt, ook toegepast.
Om cavitatiebellen in een vloeistof te maken moet de druk in de vloeistof verlaagd worden tot beneden de druk van de damp boven de vloeistof. Bovendien, zo is algemeen bekend, moeten er zogenaamde zwakke plekken in de vloeistof zijn. Een zwakke plek is een plek waar een bel kan ontstaan. Bijvoorbeeld een stofdeeltje initieert verdamping en stabiliseert een bel.
Experiment
Niet alleen het eind van het leven van deze cavitatiebellen, maar ook het begin is een gewelddadige periode. Juist deze periode in het leven van de cavitatiebel hebben de Twentse en Deense onderzoekers onderzocht.
In hun experiment maken de onderzoekers gebruik van een suspensie van waterafstotende (hydrofobe) deeltjes met een diameter van dertig tot 150 micrometer (1 micrometer is éénduizendste millimeter) in zeer schoon water. Op de deeltjes laten zij geluidsgolven los die voor een negatieve druk in de vloeistof van vijf megapascal zorgen gedurende enkele microseconden. Deze geluidsgolven trekken de vloeistof als het ware een beetje uit elkaar. Als deze trekkracht op de vloeistof voldoende groot is, ontstaan er cavitatiebellen. Als er in de vloeistof geen zwakke plekken zitten, zijn er grote krachten nodig om de bellen te laten ontstaan. In het uitgevoerde experiment vormen de waterafstotende deeltjes de zwakke plekken waar de vorming van bellen begint. De onderzoekers bekeken het ontstaan van cavitatiebellen in het mengsel met een speciale lichtmicroscoop die met een complex optisch systeem het monster vanaf een relatief grote afstand (ongeveer vijf centimeter) bekijkt, en met een hogesnelheidscamera.
Tijdens het voorbijgaan van de geluidsgolf groeien de cavitatiebellen op het oppervlak van de deeltjes. Deze bellen expanderen op explosieve wijze en laten de deeltjes heen en weer bewegen. Bel en deeltje bewegen met dezelfde snelheid. Echter, na enige tijd neemt de snelheid waarmee de bellen uitdijen af. De deeltjes behouden hun hoge snelheid echter en schieten weg van de expanderende bellen met snelheden van tien meter per seconde en meer.
De onderzoekers kunnen deze op het eerste gezicht spectaculaire dynamica verklaren door te kijken naar de krachten op de bellen en de deeltjes. Het deeltje, waaraan de bel oorspronkelijk vastgeplakt zit, wordt in eerste instantie versneld tot de snelheid van de belwand. Op het moment dat de snelheid van de belwand vermindert - de bel groeit minder snel - beweegt het deeltje praktisch onverstoord met dezelfde snelheid verder. Dit leidt ertoe dat het deeltje en de bel elkaar loslaten. Hierbij ontstaat een 'nek', die de bel met het deeltje blijft verbinden. Uiteindelijk wordt deze verbinding instabiel en breekt. Het breken van de nek veroorzaakt een oppervlaktegolf op de bel.
Toepassingen
De ontdekking dat de deeltjes zich met grote snelheden splitsen van de cavitatiebellen die ze zelf creëren, zien wetenschappers als een algemene eigenschap van de dynamica van cavitatie van bellen. In een bredere context neemt men aan dat sterke mechanische effecten van cavitatie alleen optreden als de bel maximaal samengedrukt wordt, als de bel in klapt. De Deense en Twentse onderzoekers hebben nu dus ook een hoge versnelling van de deeltjes gezien tijdens de groeifase van de bellen. De deeltjes die in de groeifase weggeschoten worden, kunnen waarschijnlijk nabijgelegen oppervlakken bombarderen of zachte materialen penetreren.
De onderzoekers suggeren in hun artikel, dat de versnelling van deeltjes wellicht gebruikt kan worden voor medische toepassingen. Medici zouden de deeltjes met een medicijn kunnen bedekken en ze vervolgens kunnen gebruiken bij medicijnafgifte via de huid. Of, als men kleinere deeltjes zou gebruiken, zouden de deeltjes ook medicijnen kunnen afgeven in het cytoplasma van cellen, van afstand bestuurd door het gebruik van een geschikte geluidsbron.