Peuteren met punaises leidt tot een verwarrend spel van aantrekking en afstoting

Waar is het kroos als je het nodig hebt? Er was afgelopen week geen sloot of slootje te vinden waar wat kroos op dreef, zelfs niet in Waterland waar sloten ’s zomers altijd naadloos dichtgroeien. Moesten de krooszaadjes nog ontkiemen of wringen de plantjes zich pas uit de modder als het voldoende warm is ? Hoe zit dat? Er is te vroeg aan dit stukje begonnen.

Voorlopig kijken we even naar de bijgaande foto’s die in september 2020 zijn genomen. ’t Was coronatijd, je kreeg je koffie uitsluitend als coffee-to-go uitgereikt en daar ging je dan mee op een leeg terras zitten. Ging het regenen dan blééf je zitten. Zo kon het gebeuren dat je zag wat hier te zien is: dat dezelfde regendruppels die met dezelfde vaart kwamen aanzetten op verschillende tafels een ander effect hadden. Zomaar een demonstratie van de grote invloed van de ondergrond op vorm en gedrag van druppels.

Wie niet helemaal stekeblind is wist natuurlijk al lang dat waterdruppels op waterafstotend (‘hydrofoob’) plastic een andere vorm aannemen dan op glazen of metalen oppervakken. Op plastic vormt water hogere, steilere druppels dan op schoon glas. Een stof als terpentine vloeit op plastic juist goed uit – maar doet dat ook op glas. Wat hier doorslaggevend is is nooit vooraf duidelijk. Druppels hebben de neiging om, net als slap deeg, onder het eigen gewicht in te zakken maar ondervinden tegelijk steun van de ‘oppervlaktespanning’ die juist naar de bolvorm streeft. Die oppervlaktespanning is de uitdrukking van de cohesie, de samenhang, in het materiaal waaruit de druppel bestaat.

En dan is er de adhesie, de onderlinge aantrekking tussen de druppel en zijn ondergrond. Het is de adhesie tussen water en glas die waterdruppels meestal aardig over glas doen uitvloeien, tenzij het glas vettig is of een coating heeft gekregen. De hoek die een druppel met zijn substraat maakt, de contacthoek, wordt vaak als maat voor de adhesie gebruikt. Voor zuiver water op schoon glas kan die hoek bijna nul worden, op hydrofoob plastic kan het aardig richting 70 graden gaan. Kwik en vloeibaar lood, die helemaal niet willen uitvloeien, komen ruim voorbij de 90 graden.

Lastig voor de amateur

Anders dan de goed gedefinieerde oppervlaktespanning is het begrip contacthoek voor de amateur lastig te hanteren, hij laat zich moeilijk meten of voorspellen. Veel kleinigheden zijn erop van invloed. Op gekromde oppervlakken is de contacthoek anders dan op een vlakke ondergrond, op een hellend vlak is-ie weer anders dan op een horizontaal vlak.

Het is de adhesie die vloeistoffen als thee of koffie langs de randen van kopjes of bekers schuin omhoog trekt en daar die eigenaardige kromme meniscus vormt. Ook daar komt die contacthoek in beeld. In heel smalle staande buisjes (‘capillairen’) kunnen vloeistoffen door de adhesie extreem ver omhoog worden getrokken, dat is algemeen bekend. Denk aan de houtvaten van bomen. Maar in de oude plastic AW-limonaderietjes met een diameter van maar 3 mm bleek water afgelopen week toch maar nauwelijks omhoog te komen. Dat moet aan de hydrofobe kwaliteit van het plastic, dus aan de hoge contacthoek, hebben gelegen. Was het rietje van glas geweest dan had volgens een klassieke formule een capillaire opstijging van wel 9 mm kunnen optreden. (Aannemende dat de contacthoek 20 graden is.)

Aardig genoeg bleek terpentine wel zo’n 3 mm in de plastic rietjes op te stijgen hoewel de oppervlaktespanning van terpentine (‘white spirit’) maar een derde is van die van water. Het goedje wordt een beetje geholpen door zijn lage dichtheid (780 gram per liter) maar kennelijk toch vooral door de kleinere contacthoek dan die van het water-plasticsysteem.

In de moderne milieubewuste papieren rietjes gaat dit trouwens allemaal heel anders. Het ging er maar even om de lezer duidelijk te maken dat allerlei waarnemingen die gewoonlijk puur aan de invloed van de oppervlaktespanning worden toegeschreven vaak ook of vooral aan die adhesie en zijn contacthoek zijn te danken. Dit kan te pas komen bij het begrijpen van de aardige effecten die sinds enige tijd Cheerios-effecten worden genoemd. Daarbij gaat het om bewegingen van kleine objecten, waaronder ook luchtbellen, die los op het water drijven en subiet op elkaar af koersen als ze elkaar dicht genoeg genaderd zijn. Cheerios zijn een soort cornflakes-achtige ringetjes die de Amerikaan in een kom werpt, met melk overgiet en als ontbijt opeet. De ringetjes drijven op de melk en klitten snel aan elkaar.

Cheerios-effecten zijn heel algemeen, je ziet ze elke dag. Pingpongballen of de lege helften van een okkernoot bewegen pardoes naar elkaar als ze elkaar op een paar centimeter zijn genaderd. Okkernoten die je vooraf had gecoat met waterafstotend paraffine doen het niet. Vreemd is dat ook punaises, vooral die voorzien van een plastic kapje, resoluut op elkaar afschieten terwijl die (doe de proef) zijn omringd door een negatieve meniscus. Heel verwarrend is de waarneming dat een losgepeuterd plastic punaisekapje een intacte punaise blijkt af te stoten. De literatuur die het probeert te verklaren is niet zomaar te doorgronden. De gemeenschappelijke noemer is dat steeds bewegingen worden opgewekt die de verstoring van het wateroppervlak tot een minimum terugbrengen.

Van dat losgepeuterde plastic punaisekapje is het maar een kleine stap naar de drijvende blaadjes van klein kroos (Lemna minor) dat overigens geen zaad vormt maar in de herfst naar de bodem zakt en in de lente weer opstijgt. De vraag die opeens prangde was of de kroosblaadjes een samenhangend dek vormen ondanks of dankzij het Cheerios-effect. Dat kan pas over een maand onderzocht worden.