Wat gebeurt er als een vloeistof bevriest? Een verhaal over wormen en tranen bij een oprukkend ijsfront

IJswormen, heten ze, wonderlijk dunne sliertvormige luchtbellen in bevriezend ijs, die centimeters lang kunnen worden. Ze duiken vaak op in banden van parallelle slierten in natuurijs. „Ze kunnen alleen ontstaan bij een heel precies bepaald evenwicht”, zegt Jochem Meijer.

Meijer promoveerde afgelopen jaar aan de Universiteit Twente op onderzoek naar het letterlijke schoolvoorbeeld van een fase-overgang: water bevriest bij 0 graden Celsius, ofwel: het transformeert van een vloeibare naar een vaste vorm. Maar zoals wel vaker, is zo’n natuurverschijnsel in werkelijkheid ingewikkelder dan in de boeken: rommeliger, veelvormiger en dus interessanter. Meijer onderzocht bevriezend water met luchtbelletjes, oliedruppels en kleine bolletjes van verschillende materialen, van plastic tot metaal.



„Jochem heeft veel vrijheid gehad in wat hij kon doen en heeft ontzettend leuke dingen gevonden”, zegt Detlef Lohse, hoogleraar vloeistoffysica en Meijers promotor, in zijn werkkamer op de Twentse campus. Tussen het interview door houdt hij grappend en snel schakelend audiëntie als hoofd van een omvangrijke onderzoeksgroep. Het is het een komen en gaan van promovendi, postdocs en onderzoekers bij bedrijven die iets te overleggen hebben met Lohse.

„We hebben afgelopen jaren fase-overgangen met meerdere componenten en meerdere fases onderzocht”, zegt Lohse. Zo onderzochten de Twentenaren eerder dansende verdampende druppeltjes op een gloeiende plaat, het Leidenfrost-effect , het oplossen van druppels in water, en het smelten van zeeijs. Lohse: „En nu is er dan bevriezen.

” Dat zijn onderzoeksgroep een promovendus, Meijer, kon wijden aan zo’n puur nieuwsgierigheid-gedreven onderwerp, was te danken aan de Italiaans-Zwitserse Balzan-prijs, die Lohse in 2018 won. 750.000 Zwitserse frank (toen zo’n 670.

000 euro) kon Lohse besteden, onder andere aan bevriezend water. Dat bedrag is niet meteen af te zien aan Meijers proefopstelling, die gemakkelijk past op een tafel in een kleine laboratoriumruimte. „Het is nogal kleinschalig, een table top -experiment”, zegt Meijer.

Hart van de installatie is een glaasje met daarin een kanaaltje van enkele centimeters lang, enkele millimeters breed, en 0,2 millimeter hoog. Daarin gaat water, met daarin opgelost gas, oliedruppels en andere bolletjes of belletjes, typisch zo’n 0,1 millimeter in doorsnee. Het glaasje komt op twee koperen blokjes te liggen van verschillende temperaturen, bijvoorbeeld 3 en -5 graden Celsius.

Meijer: „Onder de blokjes zit een holle ruimte, en daar loopt koelolie doorheen, die kan tot min 20 graden koelen.” Tussen de blokjes zit een ruimte van een paar millimeter, laat Meijer zien: „Ergens tussenin wordt de temperatuur van het water precies 0 graden. Daar zit dus het bevriezingsfront.

” Een camera filmt dat front van boven, zichtbaar als een donkere streep. „Intussen schuiven we het glaasje langzaam onder de camera door. Ten opzichte van de camera blijft het front dus op dezelfde plaats, terwijl de belletjes ernaartoe schuiven.

” Heel snel gaat dat schuiven niet, typische snelheden waarmee het bevriezingsfront oprukt zijn millimeters per uur. Een enkel experiment duurt daarmee gemakkelijk een paar uur. „Er zijn perioden geweest dat ik hier maanden bezig was”, zegt Meijer.

„Het grappige is: wat er precies gebeurt verandert heel sterk als je de snelheid van het front verandert”, zegt Meijer. Zo worden kleine oliedruppeltjes, als het front maar traag genoeg oprukt, voor het front uitgeduwd. „Als het bevriezingsfront en de druppel dichter bij elkaar komen, zal uiteindelijk een heel dunne laag water de druppel en het ijs scheiden.

Dat hele dunne laagje vloeibaar water, misschien 100 nanometer [een tienduizendste millimeter, ofwel enkele honderden watermoleculen], heb je altijd. Er is nooit een directe grens tussen olie en ijs.” Als het front oprukt, neemt de druk in dat dunne laagje water toe, waardoor de oliedruppel weggeduwd wordt.

Maar als de snelheid van het oprukkende bevriezingsfront wordt opgevoerd, kan de druppel het niet meer bijhouden, en wordt hij alsnog opgeslokt door het bevriezende water. Meijer merkte op dat de oliedruppels daarbij een stereotiepe traanvorm aannemen, met een scherpe punt aan het uiteinde waar het front het laatst passeert. „De druppel komt het ijs binnen, en lijkt door het ijs te worden samengeperst.

Aan de kant van het vloeibare water stulpt de druppel daarbij uit. Uiteindelijk geeft dat die puntige vorm.” Een deel van het effect is te verklaren doordat water uitzet als het bevriest.

Meijer: „Maar dat was niet genoeg om de vervorming helemaal te verklaren. Het komt ook door de extra druk van dat extreem dunne laagje vloeibaar water tussen de olie en het ijs.” Helemaal opgehelderd zijn alle moleculaire interacties nog niet die tot de druppelvorm leiden, maar wel staat vast dat ook de ingevroren druppel nog altijd wordt omgeven door een dun laagje vloeibaar water.

Ook het oprukkende front zelf liet onverwachte fenomenen zien. Als het ijsfront naar een lucht- of oliedruppel oprukt met 15 millimeter per uur, stulpt het front een beetje uit als de twee elkaar naderen. Dat is logisch, omdat olie of lucht de warmte minder goed geleidt dan water.

Dus de druppel houdt de toestromende warmte uit het water tegen, en de kou krijgt iets meer ruimte. Maar als het front iets sneller oprukt, ontdekte Meijer, stulpt het front verrassend genoeg juist in waar het de druppel nadert. „Eerst dacht ik: er is iets misgegaan”, zegt Meijer, „en dus probeerde ik het nog een keer, maar het front bleef indeuken.

” Uiteindelijk bleek dat er rond de druppel een stroming op gang kan komen, een gevolg van de oppervlaktespanning van het water. „Die is hoger bij lage temperaturen, dus trekt de voorkant van de oliedruppel harder aan het water. Zo krijg je een stroming, en die neemt warmte mee.

Die warmte dringt het bevriezingsfront juist een beetje terug.” De vondst leidde tot een publicatie in het natuurkundevakblad Physical Review Letters . Toepassingen van dit specifieke effect zien Lohse en Meijer nog niet meteen.

Lohse: „Maar bevriezen speelt een grote rol in de voedselindustrie: als je bepaalde levensmiddelen bevriest en ontdooit, missen ze smaak en textuur. Zelfs ijs, goed Italiaans ijs, moet je niet in de vriezer doen. Dat heeft te maken met vet- en oliedeeltjes die veranderingen ondergaan.

” Ook in de metaalbewerking en bijvoorbeeld het zuiveren van silicium voor computerchips, speelt bevriezen een rol: het kristalliseren is een manier om onzuiverheden naar buiten te werken. Deels is de bevriezingskennis ook al gemeengoed, bijvoorbeeld bij natuurijsschaatsers, die weten dat ijs met belletjes zwakker is dan traag bevroren ‘zwart ijs’, zonder bellen. En in klimaatwetenschap speelt bevriezen, en smelten, van zeewater en poolijs een grote, nog slecht begrepen rol.

Lohse: „Maar wij zijn fundamenteel geïnteresseerd: hoe werkt het? We proberen systematisch grip te krijgen op deze soort verschijnselen.” Dat lukte bij de ijswormen, de langgerekte gasbellen die soms in natuurijs te zien zijn. Lohse legt het uit met een voorbeeld dicht bij huis: „Als je ijsblokjes maakt in je vriezer, zie je vaak dat er binnenin een wittig wolkje zit.

Dat zijn luchtbelletjes. In water zit altijd een beetje lucht opgelost, maar in ijs kan dat gas nooit opgelost zijn.” Als het bevriezingsfront oprukt, worden de gasmoleculen dus vooruit gestuwd, waardoor het water vlak vóór het front oververzadigd kan raken: er zit meer gas in opgelost dan stabiel is.

Een gasbelletje kan dan ontstaan bij een condensatiekern, bijvoorbeeld een kleine verontreiniging in het water. Gas uit het omringende water stroomt toe, en de bel groeit. Lohse: „De vraag is wat er dan sneller is: als het ijsfront snel oprukt, wordt de bel snel ingesloten.

Maar als het ijsfront traag is, zullen de gasmoleculen zich verspreiden over het water, en is er geen oververzadiging meer.’ Alleen bij een precieze balans tussen die twee effecten zal de bel niet worden ingehaald door het oprukkende front, en continu aangevuld worden met nieuw gas, en ontstaat er de sliertvormige ijsworm. In een nog niet gepubliceerd artikel , dat al wel op de preprint-website Arxiv is te lezen, beschrijven Twentse en Franse onderzoekers wiskundig de precieze vorm van de ijsworm.

„De ijswormen staan dus ook altijd loodrecht op het bevriezingsfront”, zegt Meijer. Zo leggen ijswormen het verleden vast: aan hun richting kun je zien hoe ooit het bevriezingsfront is opgerukt..