Over diamantvormige druppels

Dit bericht gaat over een foto van een diamantvormige waterdruppel. Ludo Rutten, die blogt op Muggenbeet, observeerde de druppel in het hart van het blad van een lupine. Hij stelt er zich volgende vragen bij:

“Hoe komt het dat die druppel niet wegvloeit? In het blad zijn nochtans spleten genoeg om langs weg te sijpelen. Zouden die haartjes het water afstoten? Ook gek is dat die druppel de kromming van het blad niet volgt maar gebogen staat. Heeft dit te maken met de cohesieve kracht? En ik vraag me af: is dat allemaal opgevangen water of is hier ook sprake van guttatie zoals je dat vaak ziet bij vrouwenmantel?”

In de commentaren lees ik dingen over oppervlaktespanning en cohesie, maar ook over centripetale krachten (en dat die krommingen in de richting van het middelpunt zouden veroorzaken). Over de rol van die haartjes lees ik er echter niks. (Evenmin over de vraag of lupines ook aan guttatie doen, maar daar ga ik mij ook niet aan wagen.) Een leuke uitdaging!

Foto van waterdruppel op lupine door Muggenbeet.

Deze foto was de inspiratie voor dit blogbericht. Met toestemming overgenomen van Muggenbeet (link).

“Zouden die haartjes het water afstoten?” Mij lijkt het dat de foto juist suggereert dat zij het water aantrekken! Maar laten we bij het begin beginnen.

Op de foto zie je het resultaat van een samenspel van interacties tussen drie materialen: het water, de plant en de lucht (die zelf natuurlijk niet zichtbaar is). Wat betreft de plant is niet alleen de samenstelling belangrijk (met name de waterafstotende, wasachtige laag op de bladeren – terecht opgemerkt door Fruitberg), maar ook de vorm ervan (die haartjes of trichoom dus). De volledige uitleg werd hierdoor wat te lang voor een reactie. (Vandaar dit bericht.)

Waterdruppel op het blad van een lupine.Wanneer je verschillende stoffen met elkaar in contact brengt, ontstaat er een contactspanning (een netto-effect van de elektrische aantrekking tussen de moleculen in die stoffen, veroorzaakt door interacties van permanente en/of tijdelijke dipolen). Afhankelijk van de combinatie van stoffen kan de contactspanning laag of hoog zijn. Als het om twee vloeistoffen gaat zorgt een lage contactspanning ervoor dat de stoffen gemakkelijk mengen (bv. water en inkt), terwijl een hoge contactspanning ervoor zorgt dat ze spontaan ontmengen (bv. water en olie).

De contactspanning tussen water en lucht is hoog. Anders gezegd: het kost minder energie om watermoleculen met elkaar in contact te houden dan met de lucht. Hierdoor ontstaat het effect van oppervlaktespanning, die het contactoppervlak tussen lucht en water tracht te minimaliseren. Resultaat: kleine hoeveelheden water vormen in een omgeving van lucht ongeveer bolvormige druppels (minimaal contactoppervlak met lucht). Over oppervlaktespanning had ik het trouwens al eerder op dit blog: in verband met koffie en in verband met afwassop.

Het water op de foto wordt aan de bovenkant omgeven door lucht, maar rust tegelijk op een blad met een wasachtige laag. De oppervlaktespanning tussen olie en water is ook hoog. Ook hier geldt dus dat het water een zo klein mogelijk contactoppervlak zal proberen vormen. Als de hoeveelheid water groter wordt, krijg je eerder een plasje water dan een bolvormige druppel. Dit komt door de zwaartekracht: op een gegeven moment is het gewicht van het water groter dan de krachten van de oppervlaktespanning.

Waterdruppel op het blad van een lupine.Tot nu deed ik alsof het blad glad was, maar ook de structuur van het oppervlak speelt een belangrijke rol bij de benatting. Bij een ruw oppervlak (met een wasachtige, waterafstotende laag) zal de druppel niet mooi de vorm volgen (want dat zou een groot contactoppervlak vereisen, met een hoge oppervlaktespanning als gevolg), maar eerder op de uitstekende toppen rusten. Dit lijkt ook te gebeuren door de haartjes op de bladen van deze lupines: het water sluit bijna nergens aan met het blad (er zit een luchtlaagje tussen), maar wel met de haartjes (uitstekende delen).

Hoewel haartjes bij planten dus helpen om water op enige afstand te houden van het blad, kunnen ze tegelijk de wateropname uit de lucht bevorderen. Doordat de haartjes uitsteken, vergroot dit het volume waaruit ze water kunnen oppikken. En als er eenmaal een druppeltje gevormd is, heeft dat slechts een heel klein contactpunt nodig (weinig contactspanning) om toch aan zo’n haartje te blijven hangen. Vaak hebben die haartjes trouwens een schubachtige structuur (niet noodzakelijk zichtbaar met het blote oog), wat zorgt voor extra ruwheid; dit vergroot het contactoppervlak nog verder.

Waterdruppel op het blad van een lupine.Eens de druppel gevormd is, rolt hij door de aanwezigheid van de haartjes minder snel weg. Dit kan uitgelegd worden aan de hand van een energiebarrière. Als je zelf een druppel water in het midden van zo’n blad legt (bij de nerf, althans als daar geen haartjes staan), zal die mooi naar beneden rollen. Als het water echter – zoals dat op de foto – nog geen contact heeft met het bladoppervlak, zal het daar ook niet spontaan naartoe beginnen bewegen, omdat het dan eerst zijn opppervlaktespanning (ten minste tijdelijk) moet verhogen. (Dit effect zou je “pinning” van de contactlijn kunnen noemen.) Door met het blad te schudden, voeg je zelf wat energie toe. Hierdoor kan de energiebarrière eventueel overwonnen worden, waardoor minstens een deel van het water alsnog van het blad zal afstromen.

In elk geval een boeiend onderwerp! Zelfs de schrijvers van handboeken zoals “Functional Surfaces in Biology” weten nog niet alle details.

Aanvulling (6 maart 2014, 20u):

Foto toegevoegd (met toestemming). Op het web staan er trouwens nog veel mooie foto’s van waterdruppels op lupines (kijk maar hier, hier, of hier).

Gelijkaardige berichten:

Facebooktwittergoogle_plusredditpinteresttumblrmail

5 Reacties

  1. muggenbeet

    Amai, Sylvia, dat is nog eens een uitleg. Dit moet ik een tweede maal lezen en mss zelfs een derde maal. Ik ga straks ook eens een link naar je blog plaatsen. Grts.

    Reageren
    1. Sylvia Wenmackers (Auteur bericht)

      Bedankt voor je reactie. Ooit wil ik dit eens echt duidelijk uitleggen, maar dit is wat ik er uit de losse pols over op kon schrijven. En bedankt voor de link!

      Reageren
  2. PJ Swinkels

    Ik heb de verklaring ademloos gelezen. Het verschijnsel heb ik diverse keren waargenomen in mijn tuin als ik op zoek ben naar de spinnen (de tijgers van de insectenwereld) die er een toevluchtsoord hebben gevonden en die ik eindeloos kan gadeslaan. Mooie, heldere uitleg over oppervlaktespanning.

    Reageren
    1. Sylvia Wenmackers (Auteur bericht)

      Dan zijn al die contacthoekmetingen uit mijn vorige loopbaan toch nog ergens goed voor geweest. ;-)
      Laat me raden, jij bent vast blij met deze exoot: de tijgerspin!

      Reageren
      1. Sylvia Wenmackers (Auteur bericht)

        Toevallig zag ik vandaag dit filmpje (time lapse) van een spin die een web weeft.

        Reageren

Laat een reactie achter

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

9 + 1 =