Nanobelletjes ontbranden spontaan
Krachtige reactie belletjes kleiner dan 150 nanometer
23 september 2011
Belletjes met nanometer afmetingen, met daarin zuurstofgas en
waterstofgas, blijken spontaan te kunnen ontbranden. Bij grotere bellen
gebeurt er niets. Voor het eerst tonen onderzoekers van het MESA+
Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente deze spontane
ontbranding aan, in een publicatie in Physical Review E. Zij willen het
verschijnsel toepassen in een compacte ultrasoonluidspreker.
Dat er sprake is van een 'violent reaction', blijkt alleen al uit de
zichtbare beschadiging van de elektroden waarmee de reactie op gang
wordt gebracht. Met die elektroden wordt, in een uiterst kleine
reactiekamer, op de bekende manier waterstof en zuurstof gemaakt: via
elektrolyse. Door de plus- en minpool steeds om te wisselen, blijken
belletjes te ontstaan met daarin beide gassen.
De frequentie waarmee wordt omgeschakeld, bepaalt nu de grootte van de
belletjes: hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de belletjes. Met
belletjes groter dan 150 nanometer (een nanometer is een miljoenste
millimeter) gebeurt niets. Pas als ze kleiner worden, treedt de
verbranding op. Eerdere experimenten in microreactoren lieten ook al
zien dat er niets gebeurt met grotere bellen: de theorie is dat ze een
te groot inwendig oppervlak hebben waar de warmte meteen naar toe kan.
svetovoy
Vorming van belletjes door elektrolyse aan de elektroden (te zien in a
en b): in c, d, e, wordt links de situatie afgebeeld waarin zowel
waterstof- als zuurstof worden gevormd, in het midden alleen waterstof
en rechts alleen zuurstof. In situatie e, linkerplaatje treedt
verbranding op. Er zijn geen belletjes te zien op de elektroden.
Meters per seconde
Onderzoeker Vitaly Svetovoy kwam dit fenomeen op het spoor toen hij een
actuator wilde bouwen waarmee je snel druk kunt opbouwen. Bijvoorbeeld
een luidsprekertje voor frequenties die voor de mens onhoorbaar zijn,
in het 'ultrasone' gebied dat bijvoorbeeld in de medische wereld wordt
toegepast. Om zo'n luidspreker heel compact te kunnen maken en toch op
die schaal een 'uitslag' van meters per seconde te bereiken, is geen
enkele mechanisch techniek toereikend. Door via belletjes druk op te
bouwen, kan het misschien wél, meent Svetovoy. Probleem daarbij was
steeds dat bellen heel snel te maken zijn, maar niet snel genoeg
verdwijnen. De nu aangetoonde verbrandingsreactie lost dit probleem
mogelijk op. Maar zorgt ook weer voor nieuwe problemen, zoals de
beschadiging van de elektroden. "Dat gaan we nu verder onderzoeken",
aldus Svetovoy.
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Transducer Science and
Technology van prof. Miko Elwenspoek. De groep maakt deel uit van het
MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT.
Het artikel 'Combustion of hydrogen-oxygen mixture in electrochemically
generated nanobubbles' van Vitaly Svetovoy, Remko Sanders, Theo
Lammerink en Miko Elwenspoek is op 23 september 2011 verschenen in
Physical Review E.
Universiteit Twente