De afstudeerstage tijdens zijn studie natuurkunde vond Benjamin Gorin niets. „Ik deed onderzoek naar de wisselwerking tussen licht en materie en stond vier maanden lang in een verduisterd laserlab”, vertelt hij voorzichtig lachend. „Ik heb er veel geleerd, dus ik heb geen spijt. Maar soms zag ik hele dagen geen daglicht. Dat zou ik geen jaren volhouden.”
Gelukkig kwam er een promotieonderzoek op zijn pad dat beter past: het bestuderen van de inslag van druppels op een hard oppervlak. „Het klinkt misschien gek, maar dat interesseert me omdat ik houd van surfen. Ik ben gek op water en watersporten”, vertelt Gorin, videobellend vanuit zijn appartement in Bordeaux. Het onderzoek was een samenwerking tussen de Universiteit van Amsterdam en de universiteit van Bordeaux. Het meeste onderzoek voerde hij uit in Frankrijk. „Ik kwam af en toe naar Amsterdam voor specifieke experimenten omdat ze daar betere camera’s en bepaalde, nuttige materialen hebben.” Zijn proefschrift verdedigde hij 7 februari in Amsterdam.
Tijdens zijn promotie bracht Gorin weer veel tijd door in een lab, maar deze keer zonder verduisterende gordijnen en met een hogesnelheidscamera waarmee hij honderden slowmotionopnames maakte van verschillende soorten en maten druppels die met verschillende snelheden op verschillende ondergronden neerploften. „Ik bekeek hoe de druppels het oppervlak raken en hoe de bolvorm die ze hebben tijdens de val verandert in een pannekoek als ze het oppervlak raken”, vertelt Gorin enthousiast. „Dat ziet er prachtig uit.”
Verschillende omstandigheden zorgen voor verschillende druppelinslagen. Neerkomend op een waterafstotend oppervlak spreiden waterdruppels bijvoorbeeld niet ver uit. Ze blijven als dikke druppels liggen. Terwijl ze op een waterminnend oppervlak uitspreiden tot een dun laagje.
IJsvorming op vliegtuigen
„We filmen niet alleen voor ons eigen plezier”, zegt Gorin. „We willen begrijpen hoe druppels zich verspreiden als ze landen en hoe hun samenstelling, formaat, snelheid, de ondergrond en de temperatuur dat beïnvloeden.”
Dit onderzoek is fundamenteel; het heeft dus geen directe toepassingen. Maar het kan relevant zijn voor het sprayen van verf of het sproeien van gewassen, vertelt hij.
Hij onderzocht ook „hoe druppels uitspreiden en bevriezen op koude oppervlakken”, vertelt Gorin, tot tientallen graden onder nul. „Op een koude ondergrond zal een druppel minder breed verspreiden dan op een warme. We ontdekten dat we kunnen voorspellen wanneer dat verspreiden stopt. De druppel bevriest namelijk van onderaf en we ontdekten dat het uitspreiden stopt als die bevroren laag een bepaalde dikte heeft bereikt.”
Het bevriezen van druppels speelt een rol bij ijsvorming, bijvoorbeeld op vliegtuigen. „Als een vliegtuig door een wolk koude druppeltjes vliegt, dan kunnen die vastvriezen op het toestel, wat tot ongelukken kan leiden. Deze wolken worden nu vermeden. Maar misschien is het mogelijk om een oppervlak te ontwerpen zonder ijsvorming. Daarvoor moeten we begrijpen hoe druppels precies vastvriezen.”
Geleidelijk werden de druppels die Gorin onderzocht minder ‘druppelig’. Hij filmde bijvoorbeeld ook de impact van hydrogelballetje. „Deze waterballetjes, zogeheten ‘waterparels’, worden vaak gebruikt om bloemen of planten in te zetten. Het zijn kleine balletjes die zich volzuigen als je ze in water legt. Ze zwellen dan op tot een centimeter of twee.” Toen hij de hydrogelballetjes van verschillende hoogtes liet vallen, zag Gorin iets verrassends. „Als ze een klein stukje vallen, en dus weinig snelheid hebben, dan stuiteren ze terug, als een stuiterbal. Maar als ze langer vallen, en dus een hogere snelheid hebben, dan vervormen ze sterk bij de inslag, net zoals een vloeistofdruppel. De hydrogelballetjes gedragen zich dus als een stuiterbal of als een druppel, afhankelijk van hun snelheid.”
Een soort supersponzen
Om dit verrassende gedrag beter te begrijpen, ging Gorin op zoek naar iets met de structuur van een hydrogelballetje, maar dan groter, om beter te kunnen zien wat er gebeurt. Hydrogelballetjes bestaan uit een netwerk van polymeren – ketens van moleculen – waartussen veel water vastgehouden kan worden, legt hij uit. Het zijn een soort supersponzen. „We kwamen toen op het idee om zachte tennisballen van foam te gebruiken, die je gewoon in speelgoedwinkels kunt kopen. Die kunnen zich ook volzuigen met een vloeistof. Die gevulde foamballen lieten we vervolgens neerkomen. Het leek op wat kinderen weleens doen als ze met zulke foamballen spelen: doordrenken met water en vervolgens zo hard mogelijk op de stoep te gooien zodat het water eruit spat. Maar dan gecontroleerder.”
De foamballen bleken inderdaad vergelijkbaar met de hydrogelballetjes. Gorin ontdekte zo dat de vloeistof invloed heeft. „Als we hem drenkten in water, dan stuiterde hij minder hoog dan met olie”, vertelt hij. „Dat komt doordat olie stroperiger is en daardoor minder makkelijk door de poreuze structuur van de foambal stroomt. Het sneller stromende water zorgt voor meer energieverlies waardoor de bal minder hoog komt.”
Dit speelse onderzoek onderbouwde en verklaarde Gorin met stevige, fundamentele natuurkunde. Toch wil hij niet verder in de wetenschap. „Een baan vinden als onderzoeker is lastig. Het is te onzeker. Daarom wil ik in de industrie aan de slag. Ik weet nog niet precies waar, maar met een natuurkundedoctoraat op zak vind ik vast iets.”
