Toponderzoek naar druppels in Twente

Het lijkt een filmpje zoals er duizenden op het internet te vinden zijn. Een exploderende waterdruppel. In vertraagde beelden is te zien hoe een perfect ronde druppel uiteen spat. Maar dit is geen gewoon internetfilmpje, hier komt geen trucage aan te pas, ook geen explosief. Hier zijn natuurkrachten aan het werk. De waterdruppel is onderkoeld - acht graden onder nul - en krijgt een tikje dat het vriesproces in gang zet.

De druppel bevriest van buiten naar binnen. Hij krijgt een schil van ijs die dikker wordt. Het resterende water in de kern komt daardoor in de problemen. Water dat bevriest, zet immers uit maar die ruimte is er niet. Op een gegeven moment barst de kern door de ijsschil heen en vliegen de ijsdeeltjes alle kanten op.

Dat is met het blote oog niet te zien. Het is in een fractie van een seconde gebeurd. Onderzoekers van de Universiteit Twente gebruikten hun hogesnelheidscamera om de ijsexplosie vast te leggen. Het is meer dan Spielerei, zegt Detlef Lohse, hoogleraar fysica van vloeistoffen. "Deze kennis is ook van belang in de weerkunde. Een wolk van waterdruppels kan ineens omslaan in een hagelbui. Dan is één druppel geëxplodeerd en hebben de rondvliegende ijskristallen een cascade van bevriezende druppels veroorzaakt."

Veel tijd om zich daar een beeld van te vormen krijgt zijn toehoorder niet. Eenmaal op dreef grossiert Lohse in de voorbeelden. Waarom een gemorste druppel koffie een kring achterlaat. Dat je de Warme Golfstroom kunt beschrijven als een pannetje zout en zoet water dat je op het vuur zet. Dat zijn ultrasnelle camera had laten zien hoe een waterdruppel een luchtbelletje opslokte. En hoe dat de aandacht trok van het bedrijf Océ, dat kampte met bubbeltjes in zijn inkjetprinters.

Let wel, zegt Lohse. "Zij komen naar ons. Wij doen hier geen klusjes. Het is aan ons om in hun praktische problemen een fundamenteel vraagstuk te zien. Daarvoor vertrouw ik op mijn instinct: wat is interessant, waar zit wat in? Welk onderzoek draagt bij aan onze fundamentele kennis?"

De gemeenschappelijke noemer van al dat onderzoek is de vloeistoffysica en dan met name de turbulentie. Het is het grootste vraagstuk uit de klassieke natuurkunde. Hoe komt het dat in een rustige stroom die door een vernauwing gaat of op een obstakel stuit, ineens wervels en kolken ontstaan? Waarom wordt dat gedrag zo onvoorspelbaar?

Fysici hebben er wel de vergelijkingen van Navier-Stokes voor, maar niemand die ze kan oplossen. "Als ik God ontmoet", zou Werner Heisenberg, grondlegger van de quantumfysica, op zijn sterfbed hebben gezegd, "dan stel ik Hem twee vragen. Wat is relativiteit? En wat is turbulentie? Ik denk dat Hij op de eerste vraag wel een antwoord heeft."

Bij benadering lukt het wel. Een van de paradepaardjes uit het laboratorium van Lohse is de zogeheten Taylor-Couette, een manshoog apparaat van twee concentrische cilinders die met hoge snelheden - 20 toeren per seconde - tegen elkaar in kunnen draaien. De vloeistof tussen de cilinders kan de rotaties niet helemaal bijbenen en begint te kolken.

Het is het fruitvliegje van de vloeistofdynamica, zegt Lohse. De symmetrische vormen van het apparaat maken de vergelijkingen hanteerbaar. Als fysici een turbulent probleem krijgen voorgeschoteld, proberen ze eerst of ze het in de Taylor-Couette kunnen gieten.

Een van zijn promovendi, Ruben Verschoof, bestudeert met het apparaat de weerstand van schepen. Voor op de boeg zit vaak een uitstulping die wervels maakt, waardoor de boot op een soort luchtlaag lijkt te rusten en minder wrijving ondervindt. "Dat werkt uitstekend", zegt Verschoof. "Tenminste bij boten van een meter of vijftig. Is de kiel tachtig meter, dan is het glij-effect een stuk minder."

Hoe dat kan, onderzoekt hij met zo'n zelfde uitstulping, op maat, die hij aan de binnenste cilinder van de Taylor-Couette heeft bevestigd. De snelle camera's laten hem zien hoe het water (en de luchtbelletjes) om de uitstulping heen wervelt.

Labs-on a-chip

Het lijkt erg op de beelden die de groep van Albert van den Berg een paar labs verderop maakt. Ook daar wringt een vloeistof zich door een vernauwing en wurmt zich in bochten die de onderzoekers niet uit de vergelijkingen konden halen. Grootste verschil: de stroompjes van Van den Berg zijn doorgaans niet meer dan enkele nanometers breed.

Zijn instituut voor biomedische technologie, Mira, ontwikkelt zogeheten labs-on a-chip. Kleine plaatjes, meestal van glas, waarin ultrasmalle kanaaltjes zijn geëtst en die voorzien zijn van minuscule sensoren en andere micro-elektronica. Een arts hoeft er slechts één druppeltje bloed op te laten vallen en even later toont het minilab of de patiënt een te hoge suikerspiegel heeft. Of dat een bepaald medicijn uit het bloed is verdwenen. Veelal kan de patiënt het ook zelf doen.

Tenminste, als het bloed wil stromen. Ook op deze miniatuurschaal gedragen vloeistoffen zich soms onvoorspelbaar. Net als zijn collega Lohse zit Van den Berg niet om een voorbeeld verlegen. Zo heeft hij minilabs gemaakt om het lithiumgehalte in het bloed te meten. Dit antidepressivum verdwijnt snel uit het lichaam, maar is bij een hoge concentratie schadelijk. Een juiste dosering luistert dus nauw.

Ook heeft hij met zijn techniek het verband laten zien tussen aderverkalking en tromboses. "De bloedstroom versnelt bij zo'n vernauwing. Dat zet hetzelfde proces in werking als bij een wond. Er wordt een klontereiwit afgescheiden dat de bloedplaatjes aaneen plakt. Nuttig bij een snee, maar als die er niet is, klonteren de plaatjes aaneen tot een bloedprop. Met onze labs-on-a-chip kunnen we levensecht laten zien hoe het bloed versnelt en waar de prop wordt gevormd."

Tekst loopt door onder afbeelding.

Druppeltje olie

Het werk beperkt zich niet tot medische toepassingen. Van den Berg bestudeert ook katalysatoren, stoffen die in de chemische industrie worden ingezet, bijvoorbeeld om olie te kraken. "Die stoffen worden door de ruwe olie gewerveld, om het proces te versnellen of efficiënter te maken. Het is vaak onduidelijk hoe ze precies werken en of die werking te verbeteren is. Wij kunnen de katalysedeeltjes afzonderlijk in een druppeltje olie verpakken en die druppels één voor één, maar met duizenden per seconde, analyseren."

Ons werk zit meer in de toegepaste richting, zegt hij. "Maar zonder de fundamentele kennis van de groep van Detlef komen we niet ver. Als je de bubbels en wervels niet begrijpt, kun je dit niet onderzoeken."

Detlef Lohse ziet het ook niet als tegenstelling. "Fundamenteel en toegepast vullen elkaar juist aan", benadrukt hij. "Waar het om gaat is dat wij de krachten hebben gebundeld. We leren van elkaar en zien daardoor ook veel vaker dwarsverbanden."

En voor de goede orde: ook dit is fundamentele wetenschap, al staat het niet zo in de schijnwerpers als de fysica van zwarte gaten, zwaartekrachtsgolven of het Higgs-deeltje. "Geef mij maar de vloeistofdynamica. Dit is geen filosofische bezigheid", zegt Lohse. "Begrijp me goed, ik kom uit die wereld van de theoretische hoge energie fysica. Ik weet dat je bij de deeltjesversneller in Genève soms vier jaar sleutelt aan een radertje in het geheel. De vloeistofdynamica is veel breder. Een combinatie van theorie, experiment en computersimulatie, die zich uitstrekt van de nanoschaal tot de kosmos. Dat geeft veel meer voldoening."

Nieuw centrum voor vloeistof-dynamica

Het waren al twee kopstukken van de Universiteit Twente. Beiden winnaar van de prestigieuze Spinozapremie, allebei geeerd als Simon Stevin Meester, twee dragers van het NWO Zwaartekracht project voor katalyse. En nu participeren de groepen van Detlef Lohse en Albert van den Berg in het gisteren opgerichte Max Planck Centrum voor complexe vloeistofdynamica.

Voor het eerst richt de befaamde Max Planck Gesellschaft (MPG) een dergelijk centrum in Nederland op; wereldwijd zijn er nu zestien. De verbintenis is voor tien jaar en de Twentse groepen werken erin samen met de Max Planck instituten in Mainz (polymeerchemie) en Göttingen (dynamica en zelforganisatie).

"Dit biedt een geheel nieuw perspectief", zegt een trotse Van den Berg, hoogleraar biomedische technologie. "Hier in Twente krijgen we vaak de indruk dat de wetenschap vanuit de Randstad wordt bestierd. En dat wij op de achterste rij zitten." Maar zie Nederland als een soort provincie van Duitsland, vervolgt hij. "Dan zijn wij ineens de poort naar Europa."

Het centrum is een initiatief van Lohse, hoogleraar fysica van vloeistoffen, en zijn collega professor Eberhard Bodenschatz van het MPI in Göttingen. "Het is een formalisering van al langer bestaande contacten", zegt Lohse, zelf ook lid van de MPG en verbonden aan het instituut in Göttingen: "We schuiven niet aan, we vúllen elkaar aan. Iedereen brengt zijn eigen expertise en heeft baat bij kennis en faciliteiten van de ander."

Zo heeft de Universiteit Twente de Brandaris, een camera die 25 miljoen opnames per seconde kan maken, en een zogeheten watertunnel: een installatie van acht meter hoog, die een watervoorraad van zesduizend liter met elke gewenste turbulentie rondpompt. Voor wervelingen in de lucht kunnen ze terecht in Göttingen waar een hoge-druk-windtunnel staat. Lohse: "Wij zijn gespecialiseerd in de fysica van waterdruppels. In Mainz kunnen ze supergladde oppervlakken maken. Wat weer handig is voor ons: daarop maak je de perfecte druppel."

De samenwerking moet ook nieuw talent aantrekken. In alle afspraken komt terug dat jonge wetenschappers de kans krijgen een eigen koers uit te stippelen. "Dat is een voorwaarde voor goede wetenschap", zegt Lohse. "Geen top-downbenadering, maar slimme mensen de ruimte geven. Zo doen we het hier ook altijd. En ik zou niet anders willen. Ik wil geen manager zijn, daarvoor vind ik het onderzoek zelf veel te leuk."

"Het centrum opent deuren voor ons", zegt Van den Berg. "Dit geeft ons werk een kwaliteitsstempel à la Harvard of Oxford. En belangrijker nog: de samenwerking geeft ons toegang tot een nieuwe doos van kennis. Ik kan niet wachten om die open te maken."