Aan de Universiteit Twente schieten onderzoekers een smal straaltje vloeistof met grote snelheid op een klein druppeltje. Door te filmen wat er precies gebeurt, hopen ze meer te leren over het gedrag van de vloeistofstraal. Die willen ze namelijk gaan gebruiken voor injecties zonder spuit.
Het zijn beroemde foto’s die Harold Edgerton maakte aan de Amerikaanse technische universiteit MIT vanaf de jaren dertig van de vorige eeuw. De elektrotechnicus zette als eerste op grote schaal de stroboscoop in bij het maken van foto’s. Daardoor kon hij processen in beeld brengen die met grote snelheid verlopen.
Edgerton gebruikte dit principe voor technische processen, zoals het in beeld brengen van een draaiende elektromotor. Maar wereldberoemd werd hij door zijn foto’s van alledaagse voorwerpen. Zoals een kogel die door een appel vliegt, of een kogel die een opgeblazen ballon aan rafels schiet. Het Massachusetts Institute of Technology (MIT, nabij Boston) heeft nog veel meer moois op zijn website gezet.
Edgerton heeft een grote rol gespeeld bij de ontwikkeling van de hoge snelheidsfotografie. Daarbij leggen camera’s beelden vast met zeer hoge framerates (het aantal beeldjes per seconde), waardoor snelle processen te volgen en te bestuderen zijn.
Druppel
Postdoctoraal onderzoeker Miguel Quetzeri-Santiago van de Universiteit Twente maakt bij zijn onderzoek dankbaar gebruik van een hogesnelheidscamera. In experimenten schiet hij een smal, razendsnel straaltje vloeistof frontaal op een druppel die aan een oppervlak hangt. Het mooie toeval is dat hij hierbij samenwerkt met onderzoekers van MIT.
Deze experimenten draaien in de eerste plaats om extreem goed mikken. In een lab van de Universiteit Twente heeft Quetzeri-Santiago lang moeten oefenen om zijn proefopstelling precies goed op te stellen, tot op de micrometer nauwkeurig.
94 kilometer per uur
Maar dan zijn de resultaten er ook naar. Quetzeri-Santiago slaagde erin om met een smal straaltje vloeistof (diameter honderd micrometer) dwars door een hangende druppel (diameter ongeveer twee millimeter) heen te schieten. De vloeistofjet heeft een snelheid van ongeveer 26 meter per seconde; oftewel 94 kilometer per uur, de snelheid van een vrachtwagen op de snelweg.
Hij legde dit proces van microseconde tot microseconde vast met een supersnelle camera, die – een ongelooflijke – vijftigduizend beelden per seconde maakt. Zijn bevindingen staan beschreven in een artikel dat recent verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift Soft Matter(open toegankelijk).
Menselijke huid
Het doel? Meer grip krijgen op het proces van een vloeistofstraal die doordringt in een ander, stilstaand materiaal. In de experimenten van Quetzeri-Santiago is dat andere materiaal een vloeistof, maar die dient slechts als benadering voor menselijke huid.
Dat is namelijk waar groepsleider David Fernandez Rivas (eerder dit jaar verkozen tot KIVI Ingenieur van het Jaar) onderzoek naar doet: het ontwikkelen van een apparaat dat medicijnen kan injecteren zonder spuit.
Materiaal doorboren
‘Wat uit mijn experimenten volgt, is onder meer de snelheid waarbij de vloeistofstraal helemaal door de druppel heen gaat. Dit leert ons welke snelheid nodig is om een materiaal te doorboren’, vertelt Quetzeri-Santiago. ‘Natuurlijk is huid anders dan een vloeistof; huid is heterogeen, hij bestaat uit verschillende lagen met verschillende eigenschappen. Dit werk is dus een eerste stap.’
Mede op basis van de experimenten wil Quetzeri-Santiago een model opstellen van hoe een vloeistofstraal door huid heen gaat. ‘Met welke snelheid moeten we de straal op de huid schieten om er echt in door te dringen. Maar ook willen we weten of de huid zich niet te snel weer sluit. Want dan komt het staartje van de straal op de buitenkant van de huid terecht en zouden we vloeistof verspillen.’
Vaccinaties
Op termijn zou een injectie van vloeistof zonder injectiespuit ook zijn nut kunnen bewijzen bij het toedienen van vaccinaties. ‘Er lopen proeven bij de Universiteit Leiden om te kijken of je met minder vaccin toe kan, met wellicht maar een vijfde van wat mensen nu krijgen. De theorie is dat de immuunreactie van het lichaam sterker is als het vaccin in de bovenste huidlaag terechtkomt in plaats van in de spier. Daarvoor zou onze toekomstige injector ideaal zijn.’
Openingsbeeld: stilstaand beeld van de hogesnelheidscamera; de vloeistofstraal is net de hangende waterdruppel binnengedrongen, waardoor die begint te vervormen.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.