De doorbraak in het begrijpen van het opbreken van een waterstraal in druppels werd gemaakt door een team bestaande uit Stefan Kooij, Daniel T. A. Jordan, Cees J. M. van Rijn en Daniel Bonn van de van de Universiteit van Amsterdam (Van der Waals-Zeeman Instituut / Institute of Physics), samen met Neil M. Ribe van de Université Paris-Saclay. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.

Kleine golven, grote gevolgen

In hun studie “What Determines the Breakup Length of a Jet?” tonen de auteurs overtuigend aan dat de initiële verstoringen die leiden tot het uiteenvallen van zogeheten laminaire vloeistofstralen in druppels niet voornamelijk worden veroorzaakt door externe ruis, turbulentie of imperfecties in het mondstuk, zoals vaak wordt aangenomen. In plaats daarvan blijkt uit hun uitgebreide experimenten met uiteenlopende vloeistoffen, mondstukken en stromingscondities, dat de doorslaggevende verstoringen worden veroorzaakt door intrinsieke thermische capillaire golven — thermische fluctuaties op de schaal van angstroms, tienmiljoenste delen van een millimeter.

Het onderliggende proces is vergelijkbaar met dat van brownse beweging, waar willekeurige bewegingen van moleculen een zichtbaar deeltje onder de microscoop laten ‘dansen’. De onderzoekers ontdekte dat in het geval van vloeistofstralen vergelijkbare thermische wiebelingen aan het oppervlak van een waterstraal voldoende zijn om de straal op termijn uiteen te laten vallen in druppels. Die minieme golvingen van slechts enkele angstroms groot worden vervolgens versterkt door de zogeheten Rayleigh-Plateau-instabiliteit, totdat de straal breekt.

Van nanojets tot macrojets

Het team kon deze hypothese bevestigen door beeldanalyse van straalmodulaties en systematische variatie van de parameters, en vond een verrassend goede overeenkomst tussen de experimenteel gemeten lengte van de stukken waarin de straal opbreekt (de zogeheten breuklengte) en een model op basis van thermische ruis, geldig over zeven ordes van grootte — van zogeheten nanojets tot macroscopisch grote stralen zoals die van een kraan.

Het werk doorbreekt een bijna 200 jaar oude opvatting over het belang van externe ruis bij druppelvorming, en laat zien dat zelfs in zorgvuldig geïsoleerde opstellingen de breuklengte uiteindelijk bepaald wordt door een fundamenteel thermisch mechanisme. Deze inzichten leveren nieuwe fundamentele kennis op voor uiteenlopende toepassingsgebieden waarin druppelvorming een rol speelt, zoals inktjetprinten, voedseltechnologie en aërosoltoediening van medicijnen.

Publicatie en verdere informatie

What Determines the Breakup Length of a Jet? S. Kooij, D. T. A. Jordan, C. J. M. van Rijn, N. M. Ribe and D. Bonn, Physical Review Letters 135, 214001 (2025), DOI: 10.1103/PhysRevLett.135.214001.

Water jets may break up into droplets thanks to jiggling molecules, nieuwsbericht door Emily Conover voor Science News.