Nooit stil in een stroperige vloeistof
Gasbellen in water kunnen lichtflitsen produceren. Dit proces staat bekend als sonoluminescentie. Het verschijnsel treedt alleen op als de bellen stabiel van vorm zijn en op hun plaats blijven. In een stroperige vloeistof zou dat gemakkelijker moeten gaan dan in water waarin het verschijnsel voor het eerst werd ontdekt. Tot verbazing van onderzoekers zijn in zo'n vloeistof bellen nooit op een vaste plaats te krijgen. Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben nu, financieel gesteund door FOM, ontdekt waarom. Ze publiceren hun bevindingen in de Physical Review Letters van 17 maart 2006.
Sonoluminescentie werd in 1989 door Felipe Gaitan, die toen werkte aan de Universiteit van Mississippi, toevallig experimenteel gevonden. Om tot lichten te komen moet de gasbel worden gevangen in een staande geluidsgolf en aan het trillen gebracht. Op een gegeven moment klapt de bel dan in elkaar en produceert een kortstondige lichtflits die in een verduisterd laboratorium met het blote oog zichtbaar is. Nadere experimenten toonden aan dat het geproduceerde licht piekt in het ultraviolet en sterk afhangt van het soort gas dat in de vloeistof is opgelost. Kleine hoeveelheden argon of andere edelgassen zijn essentieel voor het lichtverschijnsel. Kleine veranderingen in de omstandigheden - de opgewekte druk door de geluidsgolf, de concentratie opgelost gas, de temperatuur van de vloeistof en zo meer - kunnen leiden tot grote veranderingen in het opgewekte licht. Schokgolven in de bel blijken geen belangrijke rol te spelen. Wel moet de vorm van de bel stabiel zijn en moet hij netjes op zijn plaats blijven. In 1999 werd de onderzoeksgroep van Detlef Lohse aan de Universiteit Twente 'wereldberoemd' toen zij in Nature een eenvoudige verklaring publiceerde voor de lichtproductie. Wanneer de bel in elkaar klapt, stijgt de temperatuur van het gas in de bel in korte tijd tot wel 20.000 graden kelvin. De buitenste elektronen in de gasatomen krijgen kortstondig een zeer hoge snelheid, maar worden bijna even snel weer door hun bijbehorende atomen afgeremd. Daarbij staan ze hun energie af in de vorm van zogeheten remstraling, in dit geval dus vooral in het ultraviolet.
Sonoluminescentie is tot dusverre bestudeerd in water of in mengsels van water en glycerol, om de bellen stabieler te houden. Het zou dan ook voor de hand liggen dat in een vloeistof met een hogere viscositeit de bellen nog gemakkelijker stabiel blijven en het verschijnsel nog beter te bestuderen is. Ken Suslick en collega's van de Universiteit van Illinois deden daarom experimenten met bellen is vloeistoffen als glycol, methylformamide en zwavelig zuur. Tot hun verbazing bleek het daarin onmogelijk de bellen stabiel te krijgen. Op een tijdschaal van seconden bewegen ze langzaam heen of weer of doorlopen ze ellipsbaantjes.
Rüdiger Tögel, Stefan Luther en Detlef Lohse, verbonden aan de Universiteit Twente, hebben hier nu een verklaring voor gevonden. De uitkomsten van nieuwe experimenten die ze hebben gedaan komen goed overeen met theoretische berekeningen en numerieke simulaties die ze hebben uitgevoerd. De Twentse onderzoekers hebben een krachtbalans opgesteld waarin alle krachten zijn beschreven die op een gasbel in een viskeuze ('stroperige') vloeistof werken: wrijving, opwaartse kracht, traagheidskracht en de zogenoemde history force. De laatste kracht hangt af van de stroming rond de bel in het verleden, dus hij is tijdelijk niet lokaal. In omstandigheden waarin sonoluminescentie tot dusverre altijd was onderzocht, was de history force niet belangrijk en ontstond er een stabiele krachtbalans die de gasbel naar het midden van de vloeistof dreef en daar hield. De 'history force' neemt in viskeuze vloeistoffen evenwel sterk toe, met als gevolg dat juist deze kracht de bel continu van zijn plaats drijft, omdat ze uit fase is met de andere krachten. De bel draait daardoor rondjes. De conclusie is daarom dat viskeuze vloeistoffen ongeschikt zijn om sonoluminescentie in te bestuderen.
Meer informatie bij prof.dr. Detlef Lohse, Universiteit Twente, telefoon (053) 489 80 76 en op http://pof.tnw.utwente.nl/.