Een wolk van korrels
Wat doen druppels op een gloeiende plaat? Zweven! Al in 1756 gaf de Duitse arts Johann Gottlob Leidenfrost een verklaring voor dit verschijnsel. Als de temperatuur van de plaat tenminste 220 graden Celsius is, verdampt de onderkant van de druppel zo snel dat er een dun laagje damp ontstaat. De waterdruppel rust dan op dit 'kussentje' van lucht. Een verschijnsel dat hier sterk aan doet denken, blijkt in korrelig materiaal ook te kunnen bestaan, zo blijkt uit een publicatie van onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Twente in de Physical Review Letters van 16 december 2005.
Peter Eshuis (FOM), Ko van der Weele, Devaraj van der Meer en Detlef Lohse, allen werkzaam aan de Universiteit Twente, brachten in een experiment een verzameling glasbolletjes van gelijke afmetingen tussen twee dicht bij elkaar staande glazen platen via een vibrerende bodemplaat aan het trillen. Als het aantal bolletjes groot genoeg is en de trilkracht een bepaalde waarde overschrijdt gaan de onderste bolletjes zo hard trillen dat ze alle bolletjes erboven als het ware optillen. Deze 'wolk' houdt voor het grootste deel zijn oorspronkelijke pakking. De bolletjes helemaal aan de bovenkant kunnen naar boven toe vrijer bewegen dan de bolletjes in de wolk. Daar verdwijnt de pakking dan ook. Het is alsof er een cluster van bolletjes zweeft op een dunne laag 'verdampte' bolletjes aan de onderkant en alsof het cluster ook iets verdampt. De onderzoekers kunnen de waarnemingen goed beschrijven met een hydrodynamisch model waarin drie dimensieloze parameters van belang blijken: de toegevoerde trillingsenergie, het aantal lagen bolletjes en de mate waarin de trillingsenergie door botsingen tussen de bolletjes wordt verstrooid (door natuurkundigen wordt dat energiedissipatie genoemd). Voor de relatie tussen toegevoerde trillingsenergie en het aantal lagen bolletjes blijkt een fasediagram te kunnen worden opgesteld. Zo'n fasediagram geeft aan wanneer een stof vast, vloeibaar en gasvormig is, bijvoorbeeld in relatie tot temperatuur en druk of tot temperatuur en dichtheid. Het fasediagram voor de glasbolletjes geeft een vaste fase en een gasfase en daar tussenin ligt de 'Leidenfrost'-toestand. Die komt mooi overeen met zowel het experiment als de theorie.
Het experiment is een nieuw voorbeeld van de verrassende gelijkenis die er vaak is tussen het gedrag van een vloeistof en een korrelig materiaal. De Twentse onderzoekers zijn geïnteresseerd in de vraag wanneer granulair materiaal zich als een vloeistof laat beschrijven en wanneer niet. Een vloeistof laat zich beschouwen als een continu verschijnsel, maar het ontstaan van clusters of klonters verstoort dit. Zo heeft het werk in Twente via een project van Peter Rem aan de Technische Universiteit Delft al geleid tot verbetering van machines voor het sorteren van afval. Daarin is het vormen van clusters een bekend probleem.
Meer informatie bij prof.dr. Detlef Lohse, telefoon: (053) 489 80 76 of ir. Peter Eshuis, telefoon: (053) 489 30 84.