Schenk op het terras wat water bij je glas ouzo of pastis, en de vloeistof wordt opeens melkachtig: dat staat bekend als het ‘ouzo-effect’. Maar wat gebeurt er in een druppeltje ouzo dat gewoon op een oppervlak rust? Onderzoekers van de Physics of Fluids groep van de Universiteit Twente (MESA+) en collega’s van de TU/e hebben dit in detail onderzocht en doorgerekend, en zij onderscheiden vier levensfasen in minder dan een kwartier. Zij publiceren hun bevindingen op 14 juli 2016 in de Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS).
Ouzo is een transparante drank met als bestanddelen water, alcohol en anijsolie. In het mengsel van alcohol en water varieert de oplosbaarheid van de olie: water erbij schenken, en de oplosbaarheid van de olie neemt af. Het gevolg: de olie gaat in de vloeistof nanodruppeltjes vormen (‘nucleëren’) die groeien tot grotere microdruppels. Die druppels verstrooien het licht: de vloeistof is niet langer transparant, maar wordt melk-achtig.
Razendsnelle beweging
Het effect is ook te bestuderen door bij kamertemperatuur een druppeltje ouzo op een waterafstotend oppervlak te leggen. Eerst is de vloeistof nog gewoon transparant. Maar alcohol begint als eerste te verdampen, zodat er netto méér water in de druppel overblijft. Alcohol verdampt bij voorkeur aan de rand van de druppel: daar begint het ouzo-effect dus het eerst. In de hele druppel komt vervolgens een razendsnelle beweging op gang, veroorzaakt door verschillen in oppervlaktespanning die convectie tot gevolg hebben. Dit ‘Marangoni’-effect is ook te zien als port gaat ‘tranen’ in een glas. Door deze snelle beweging wordt in korte tijd de hele druppel melkachtig : het ouzo-effect dat aan de rand is begonnen, heeft zich helemaal uitgebreid. Tot dan toe heeft de druppel nog de verwachte bolvorm.
Ouzo, van helder naar melkachtig en weer terug naar helder: eerst begint de alcohol te verdampen en treedt het ouzo-effect op. Er vormt zich een ring van anijs-olie, als het water ook verdampt, schuift die ring naar binnen en blijft alleen een druppeltje olie over (zie ook video).
Opnieuw helder
Dat verandert echter als de olie naar het grensvlak beweegt en een hoek vormt met de bol én het oppervlak: de oliedruppels komen samen (coalesceren) en vormen een ring van olie aan de buitenrand van de druppel. Na enige tijd is de alcohol volledig verdampt. De vloeistof is dan weer transparant. De rest van het water gaat ook verdampen, waarbij de ring van olie van buiten naar binnen groeit. Uiteindelijk alleen een kleine druppel anijsolie over is. De in totaal vier levensfasen voltrekken zich binnen een kwartier.
De eerste drie fasen, met alle complexe verschijnselen die daarbij in de druppel optreden, duren het kortst: in ongeveer twee minuten gaat de alcohol verdampen, begint de snelle beweging, treedt het ouzo-effect op en begint de druppel van vorm te veranderen door de oliering. De rest van de verdamping, tot aan het moment dat er alleen maar anijs-olie over is, neemt zo’n twaalf minuten in beslag.
Vloeistof-vloeistof extractie
De scheiding die ontstaat tussen de drie verschillende bestanddelen van de druppel, is in de praktijk te benutten om een van de stoffen er gericht uit te halen, via vloeistof-vloeistof extractie. Door heel goed naar de verschillende fasen te kijken, zijn de gunstigste voorwaarden te vinden voor effectieve extractie. Dat is bijvoorbeeld toe te passen in medische diagnostiek. Ook is het proces te beïnvloeden door de water-afstootbaarheid van het oppervlak lokaal te variëren. Het nu gepresenteerde onderzoek geeft bijvoorbeeld ook meer inzicht in inkjet- of 3D-printing-technieken die gebruikmaken van complexe mengsels van vloeistoffen.
Daarnaast biedt het onderzoek ook nieuwe inzichten in het gedrag van vloeistoffen die gebruikt worden voor nieuwe energietechnologie en de katalysatoren die daarvoor nodig zijn. De groep Physics of Fluids neemt deel aan het landelijke project Multiscale Catalytic Energy Conversion (MCEC).
Het paper ‘Evaporation-triggered microdroplet nucleation and the four life phases of an evaporating Ouzo drop’ door Huanshu Tan, Christian Diddens, Pengyu Lyu, Hans Kuerten, Xuehua Zhang en Detlef Lohse, verschijnt op 14 juli in de Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.
