De dynamische oppervlaktespanning van water

De oppervlaktespanning van een vloeistof is een maat voor de cohesieve krachten die de moleculen bij elkaar houden. Oppervlaktespanning zorgt voor de ronde vorm van een waterdruppel en voor de effecten waarmee oppervlakte-actieve stoffen bellen en schuim vormen. De waarde van de oppervlaktespanning van water bij kamertemperatuur is tot op vier decimalen nauwkeurig bekend en wordt aangeraden als standaard voor het kalibreren van apparaten. Nieuw onderzoek waarin Ines Hauner en Daniel Bonn (Institute of Physics) betrokken zijn, toont aan dat deze waarde niet zo universeel is als tot nu toe werd aangenomen.

De recente experimenten laten zien dat een nieuw gemaakt, onbesmet overgangsvlak tussen lucht en water een oppervlaktespanning heeft die verbazenderwijs zo'n 25% hoger is dan de evenwichtswaarde van 72.75 mN/m. De onderzoekers uit Amsterdam, Bordeaux en Sydney tonen aan dat een vers overgangsvlak tussen lucht en water een oppervlaktespanning heeft van zo'n 90 mN/m. Ze gebruiken daarvoor een hogesnelheids-videocamera om waar te nemen hoe een waterdruppel loskomt als gevolg van het breken van de vloeistofhals die de druppel met het mondstuk verbindt. (Zie afbeelding.) Hun analyse van de losbreek-dynamica op een tijdschaal van milliseconden resulteert in een oppervlaktespanning van rond de 90 mN/m.

In het verleden zijn soortgelijke oppervlaktespanningen boven de evenwichtswaarde voor water op dergelijke korte tijdschaal ook al gerapporteerd. Door methodologische tekortkomingen bleven al deze resultaten echter zeer controversieel. Professor Bonn zegt dat nu daarentegen “de methode om het losbreken van druppels te bestuderen de oude problemen achter zich laat: de experimentele procedure is erg robuust, en de losbreek-dynamica die daarbij hoort goed begrepen.”

Waarom is een dergelijk groot verschil zo lang over het hoofd gezien? De reden daarvoor is dat de levensduur van de onbesmette toestand minder dan een milliseconde is. Oudere technieken hadden tragere reactietijden; alleen moderne methodes kunnen het microseconde-regime onderzoeken. Een bijkomend opmerkelijk aspect van de ontdekking is de grootte van het effect. Als natriumchloride of natriumhydroxide aan het water wordt toegevoegd in een concentratie van 1 mol per liter, verandert de evenwichts-oppervlaktespanning maar met zo'n 2 mN/m. Het effect dat met de nieuwe experimenten wordt aangetoond veroorzaakt daarentegen een verandering van 17 mN/m. Deze toename is veel hoger dan het gevolg van welk elektrolytisch effect dan ook, en moet mede een gevolg zijn van de structuur van het water aan het oppervlak.

Deze ontdekking heeft grote gevolgen voor alle processen waarin water betrokken is die op een tijdschaal van minder dan een milliseconde plaatsvinden. De hele keten van gebeurtenissen in inktjet-printers vindt bijvoorbeeld op deze tijdschaal plaats. In dit proces vormt waterachtige inkt druppels bij MHz-frequenties. Veel spray-toepassingen waarin water wordt gebruikt, moeten ook gevolgen van dit effect ondervinden: een hoge waarde van de oppervlaktespanning maakt het moeilijker om kleine druppels te produceren. Ten slotte is er een uitgebreide literatuur waarin getracht wordt de waarde van de oppervlaktespanning van water van 73 mN/m te verklaren, maar tot nu toe heeft niemand in overweging genomen dat het onbesmette wateroppervlak een nog hogere waarde heeft.