Dat allerhande toepassingen inmiddels binnen bereik zijn gekomen is voor een flink deel toeval maar door de diepgaande kennis die Lohse in de loop der jaren opbouwde, werd hij wel extra alert op de rol die microbellen spelen. En dat geldt niet alleen voor interessante natuurverschijnselen. Onlangs is een onderzoeksproject gestart naar moderne inkjet-print technieken, samen met Océ.
Bij inkjet-printen namelijk groeien luchtbellen omdat er akoestische krachten op werken. Dit betekent een ontwerpprobleem wanneer men in de toekomst steeds sneller en nauwkeuriger inkt op papier wil aanbrengen. Samen met Océ heeft de Physics of Fluids vakgroep van Lohse een onderzoeksproject geformuleerd naar dit verschijnsel. Aan het project werken een promovendus en een afstudeerstudent die een half jaar geleden zijn gestart. De eerste fase van het onderzoek zal over een jaar af zijn. `Dit is in feite de tweede concrete toepassing', zegt Lohse. `Ik ben er eigenlijk het levende bewijs van dat wetenschappers de vrijheid moeten krijgen om hun kennis op te bouwen zonder dat voor ieder onderwerp meteen een toepassing wordt verwacht.'
In 2001 kwam Lohse prominent in het nieuws met publicaties in Science en Nature. Toen ontdekte hij dat pistoolgarnalen op een speciale manier hun akoestische signalen afgeven. Dit gebeurt niet doordat ze hun klauwen hard op elkaar slaan - zoals in brede kring werd aangenomen - maar omdat zij tijdens dit proces een caviterende bel vormen die vervolgens onder vrijgave van een enorme hoeveelheid energie in elkaar klapt. Deze vondst had toegepaste waarde voor de communicatie tussen onderzeeboten. Die kan namelijk door de ver dragende signalen van de pistoolgarnaal ernstig verstoord raken.
Lohse: `Tijdens een diner met collega's in Duitsland liet iemand zien hoe het geluid van zo'n pistoolgarnaal er uitziet. Ik kon niet geloven dat de vrijgekomen energie mechanisch werd voortgebracht. Vanuit mijn onderzoek naar sonoluminescentie kende ik het verschijnsel dat microbellen onder invloed van druk-oscillaties geluid uitzenden. Bij de pistoolgarnaal dacht ik dan ook direct aan een caviterende bel. Daarna is de feitelijke ontdekking heel snel gegaan. Het heeft ons ongeveer één dag rekenwerk gekost en binnen een week hadden we een mooi resultaat. Met de hogesnelheidscamera en een hydrofoon heeft collega Michel Versluis het geluid en de bellen bekeken waarmee hij ons theoretische model bevestigde. Dit snelle resultaat was alleen maar mogelijk door het jarenlange voorwerk naar dit fenomeen.'
Het effect van bellen in twee-fasen stromingen is een gebied waar Lohse in de toekomst de nodige onderzoeksinspanningen naar zal verrichten in nauwe wisselwerking met de leerstoelen van Hans Kuipers (CT) en Jaap van der Vegt (TW), volgens Lohse een goed voorbeeld van interdisciplinair werk met uitdagende wiskundige, natuurkundige en applicatiegerichte aspecten. Een tweede fenomeen dat momenteel zijn aandacht trekt is de `no-slip boundary condition' van vloeistoffen. Dit is waarneembaar door een briloppervlak schoon te blazen: de meeste stofjes waaien weg, maar de kleinste blijven hardnekkig zitten. Dit komt omdat de stroomsnelheid direct boven het briloppervlak tot zo goed als nul reduceert. Lohse: `Op nanoschaal treedt dit verschijnsel verrassend genoeg vaak niet op. Onze hypothese is - natuurlijk - dat nanobellen hiervan de oorzaak zijn.' Aan dit onderzoek werken de groepen van Albert van den Berg, Miko Elwenspoek, Jorrit Mellema (reologie) en Matthias Wessling (membraantechnologie) mee. Lohse vraagt zich af hoe dit verschijnsel in elkaar zit en, vervolgens, of en hoe de bellen te manipuleren zijn. Die kennis is bruikbaar bij het ontwerpen van microdevices of bij het vinden van nieuwe toepassingsprincipes daarvoor. Op veel grotere schaal kunnen microbellen mogelijk een rol spelen in de turbulentie-grenslaag bij grote schepen. Door het aanbrengen van hydrofobe coatings is het denkbaar dat de weerstand van een tanker wordt teruggebracht. `Als dat maar voor vijf procent lukt, bespaar je al heel wat energie.'
Lohse wil met de landelijk bekende hogesnelheidscamera Brandaris, de invloed bestuderen van imploderende microbellen op levende cellen. Door een schokgolf namelijk worden deze voor een moment permeabel, ofwel doorlaatbaar. Met behulp van wat Lohse een `cavitatie-schaduw' noemt , kunnen proteïnen en genen de cel binnenkomen. Ook zijn in principe nieuwe, doelgerichte methoden voor de toediening van medicijnen mogelijk. Met de Brandaris is de wisselwerking tussen imploderende microbellen en cellen zeer nauwkeurig te bestuderen. De camera kan 25 miljoen frames per seconde halen en er zijn al bewegende opnamen gemaakt van microbellen die met een frequentie van één Megahertz trillen.
De vakgroep van Lohse zit voorlopig niet zonder werk en aan ideeën voor onderzoek is al helemaal geen gebrek. Zo wordt thermisch gedreven turbulentie tot in detail bestudeerd. Het precieze verloop van de verspreiding van warmte door vloeistofreservoirs die van één kant worden verhit, is behalve voor procestechnologen ook interessant voor geofysici en voor weermannen. Ook vindt onderzoek plaats naar `air-entrainment', insluiting van lucht in vloeistof- en andere stromen. Daarin kunnen grote bellen ontstaan die een verwoestende werking hebben op pompen en andere apparatuur.
Lohse: `Bij onze vakgroep kun je zien wat je doet, desnoods met de microscoop. Dat spreekt veel studenten aan. Theorie en experiment trekken samen op. Ieder jaar slagen we erin om rond tien afstudeerstudenten naar onze vakgroep te trekken. (Dat komt natuurlijk ook omdat docenten als Gerrit de Bruin, Sascha Hilgenfeldt, Devaraj van der Meer, Michel Versluis en Ko van der Weele ons vakgebied met verve presenteren tijdens de colleges.) De fluïds groep bestaat uit 25 mensen. Ik heb geen ambities om de groep verder te laten groeien want dan zou ik meer een manager worden dan een onderzoeker. De eerste focus zal op fundamenteel onderzoek gericht zijn, en FOM zal zeker hoofdsponsor blijven van onze projecten. Dat hoop ik tenminste. Maar wij zijn ook toepassingsgericht, in samenwerking met het bedrijfsleven. Dat zullen we zeker verder uitbouwen.'
Egbert van Hattem
Detlef Lohse
