Een studie geïnspireerd door spinnen die onder water leven, kan de industrie helpen giftige of ontvlambare gassen in vloeistofleidingen onder controle te houden.
Onderzoekers van de PSL Research University in Parijs, Frankrijk, lieten zich inspireren door de duikerklokspin (Argyroneta Aquatica), die een laag lucht rond zijn lichaam vasthoudt zodat hij onder water kan ademen.
“De inspiratie kwam van het kijken naar deze dieren die aerofiele structuren gebruiken om lucht vast te houden – voor hen is het een overlevingsstrategie. Kunnen wij de door de natuur ontwikkelde ideeën benutten?” zegt Hélène de Maleprade, hoofdauteur van een artikel in Applied Physics Letters.
De spinnen hebben haren op hun achterlijf die water afstoten, een eigenschap die bekend staat als hydrofoob – en minder algemeen als aerofiel, of luchtaantrekkend. Ze ademen via hun achterlijf, en de luchtlaag die ze opvangen stelt ze in staat effectief onder water te leven – jagen, rusten, paren en eieren leggen zonder droog land.
Het team bootste een enkele haar van de buik van een spin na door een draad te coaten met commerciële hydrofobe spray. Toen ze het onderdompelden, stelden ze vast dat bellen zich aan de draad hechtten, en als de draad werd gekanteld, langs de draad omhoog werden geleid, zelfs onder hoeken zo laag als tien graden ten opzichte van de horizontaal.
Het vergelijkbare scenario van waterdruppels die in lucht langs een draad naar beneden lopen, is goed begrepen, maar de bel-in-water situatie verraste de Maleprade en haar collega’s.
Uit hun analyse van de krachten op de bellen bleek dat het grootste deel van de weerstand afkomstig was van een schil van water rond de bel, in tegenstelling tot de druppel, waarbij de weerstand afkomstig is van de uiteinden van het contactgebied tussen het water en de draad.
“Lucht is gemakkelijk te verplaatsen, maar water is dat niet – de wrijving gebeurt altijd in het water. Het is moeilijker om het water rond de bel te bewegen dan de bel zelf,” zegt de Maleprade.
Door de hoek van de draden, de grootte van de bellen en de viscositeit van de vloeistof te variëren, kon het team een volledig beeld van de fysica opbouwen en het samenspel tussen traagheid, drijfvermogen, viscositeit en oppervlaktespanning uitwerken.
Hoewel zij hun studie begonnen zonder toepassingen in gedachten, zijn zij reeds gecontacteerd door belangengroepen uit de industrie die het potentieel zien van de nieuwe kennis.
Gevangen gassen kunnen problematisch zijn in industrieën die gebaseerd zijn op vloeistofstromen: de mogelijkheid om gasbellen op te vangen en uit stromingslijnen te leiden zou een grote zegen kunnen zijn in het verminderen van veiligheidsrisico’s, vooral als de gassen gevaarlijk giftig of ontvlambaar zijn.