Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kleine Tropfen wachsen anders

20.08.2012
Wenn sich Feuchtigkeit auf einer Oberfläche niederschlägt und Tropfen entstehen, kommt es zu Beginn dieses Prozesses zu einem unerwarteten Wachstumsschub.

Dass feine Tautröpfchen Spinnennetze, Grashalme oder gar Insekten in atemberaubende Schönheiten verwandeln können, ist unumstritten. Und bei genauem Betrachten bilden selbst die Tropfen, die beispielsweise beim Abkühlen einer Suppe die Unterseite von Frischhaltefolie oder Topfdeckeln überziehen, erstaunlich regelmäßige und ästhetische Muster.


Wenige große und viele kleine Tautropfen verwandeln diese Schnepfenfliege in eine funkelnde Schönheit. Ein genauer Blick würde offenbaren, dass es weniger kleine Tropfen gibt als die bislang gültige Theorie erwarten ließ.
© Wikimedia Commons

Welchen Gesetzen Entstehung und Wachstum solcher Tropfen gehorchen, haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen jetzt erstmals umfassend untersucht. Ihre aufwendigen Computersimulationen und Experimente zeigen, dass vor allem der Beginn dieser Wachstumsphase anders verläuft, als bisher gedacht: Die kleinsten Tropfen wachsen im Verhältnis merklich schneller als ihre größeren Brüder. Die neuen Ergebnisse sind besonders für Bewässerungs- und Kältetechniken von Bedeutung.

Schlägt sich Feuchtigkeit auf einer kühleren Oberfläche nieder, geschieht dies Schritt für Schritt: Einzelne Wassermoleküle vereinigen sich zunächst zu winzigen Tröpfchen von nur wenigen Mikrometern. Während diese weiter an Größe zunehmen, wachsen in den Zwischenräumen ununterbrochen kleinere Exemplare nach, die sich mit der Zeit mit ihren größeren Brüdern vereinigen können. Bisher gingen Forscher davon aus, dass die Verteilung der Tröpfchengröße einem festen Gesetz folgt – unabhängig davon, ob es sich um die frühe, mittlere oder späte Wachstumsphase handelt: Während kleine Tröpfchen häufig vorkommen, treten solche mit zunehmender Größe immer seltener auf. Solche so genannte Potenzgesetze beschreiben zahlreiche Verteilungen in Natur und Technik, etwa die der Größe von Mondkratern, die Häufigkeitsverteilung von Elementen in der Erdkruste und von Wörtern in Texten.

Die jüngsten Ergebnisse der Göttinger Wissenschaftler zeigen jedoch, dass ein und dasselbe Gesetz nicht die gesamte Wachstumsphase der Tröpfchen treffend beschreibt. Besonders zu Beginn des Wachstums – also sozusagen in der frühen Kindheit der Tröpfchen – folgt ihr Verhalten nicht den Vorgaben der Skalentheorie. „Zwar gibt es nach wie vor viel mehr kleine Tropfen als große. Doch man beobachtet deutlich weniger kleine Tröpfchen als erwartet“, beschreibt Jürgen Vollmer, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, der die Studie leitete, die Ergebnisse. Das erklären die Forscher damit, dass die kleinen Tropfen ihrer Kindheit schneller entwachsen, als die Skalentheorie vermuten lässt. In ihrer letzten Wachstumsperiode wachsen die Tröpfchen dagegen deutlich langsamer als bislang angenommen.
Um diese Abweichungen festzustellen, muss man ganz genau hinsehen. Mit ihrem Team betreiben Jürgen Vollmer und Björn Hof, der ebenfalls am Göttinger Max-Planck-Institut forscht, die Kunst des „Tropfenzählens“ auf zweierlei Art: im Experiment und in der Simulation am Computer. „Der grundsätzliche Aufbau des Experiments erinnert an einen Topf mit kochendem Wasser und einen Deckel“, sagt Tobias Lapp, der einen Großteil der Experimente vornahm. In einem Behälter, der oben mit einer durchsichtigen Folie verschlossen ist, erhitzen die Forscher Wasser unter genau kontrollierten Bedingungen. Eine Kamera, die oberhalb der Folie angebracht ist, erzeugt sechsmal pro Sekunde eine Momentaufnahme des Tröpfchenmusters. Mit speziell entwickelten Computerprogrammen lassen sich die Aufnahmen dann auswerten. „Dafür muss jeder Tropfen als solcher erkannt und einer bestimmten Größenklasse zugeordnet werden“, so Lapp.

Zweites Standbein der Studie sind numerische Simulationen. „Am Rechner lässt sich gut nachvollziehen, wie sich Feuchtigkeit auf einer Oberfläche niederschlägt“, erklärt Vollmer. „Und zwar Tröpfchen für Tröpfchen.“ In den Simulationen trifft das Wasser gleichmäßig auf eine Fläche und bilden dort zunächst winzige Tröpfchen, die durch den weiteren Niederschlag von Wasser allmählich wachsen. Immer wieder kommt es dabei zu Zusammenstößen, bei denen sich mehrere kleinere zu einem großen Tröpfchen zusammenfinden. „Um den Wachstumsprozess genau zu verfolgen, müssen wir gleichermaßen sowohl die winzigen jungen Tropfen, als auch die deutlich älteren großen numerisch im Blick haben“, erklärt Johannes Blaschke, der die Simulationen in seiner Master-Arbeit entwickelte und durchführte, die Schwierigkeit der Methode. Zudem war es nötig, über mehrere hundert Simulationen zu mitteln. „Einen solchen numerischen Aufwand hat bei dieser Fragestellung bisher noch niemand betrieben.“

Der Lohn der aufwändigen Tröpfchenzählerei: Die Forscher konnten sowohl in der sehr frühen, als auch in der sehr späten Wachstumsphase einen deutlichen Wachstumsknick identifizieren. „Das Potenzgesetz ist somit nicht mehr haltbar“, bilanziert Vollmer und ergänzt: „In den Experimenten finden sich mehr Ausnahmen als Kandidaten, die der Regel folgen.“

Auch um das neue Ergebnis zu erklären, muss man das Tröpfchenwachsen ganz genau betrachten. Grundsätzlich gibt es drei Mechanismen, durch welche sich ein bestehendes Tröpfchen vergrößern kann: Zwei etwa gleichgroße Tropfen können verschmelzen, ein kleines Tröpfchen kann sich bis zum Rand eines deutlich größeren ausdehnen und dann geschluckt werden oder die Tröpfchen wachsen durch den Niederschlag. Am Anfang sind die Tröpfchen noch sehr weit verteilt und sammeln deshalb den Niederschlag besonders effizient ein: Auch das Wasser, das zunächst in ihrer Nachbarschaft landet, wandert über die Oberfläche zu ihnen. Gegen Ende des Wachstumsprozesses existieren bereits so viele Tropfen, dass die Nachbarn solche „indirekten Treffer“ aufnehmen. Die besonders großen Tropfen hingegen, treffen kaum noch auf größere, von denen sie geschluckt werden – ihr Wachstum verlangsamt sich somit drastisch.

Die Ergebnisse der Forscher könnten in Zukunft auch technischen Anwendungen zu Gute kommen, die auf die speziellen Eigenschaften von Tropfen setzen. Da sie effektiv Wärme aufnehmen können, sind sie etwa in der Kältetechnik besonders gefragt. Ein besseres Verständnis ihres Entstehungsprozesses kann hier energiesparendere Methoden ermöglichen. Und auch moderne und wassersparende Bewässerungsmethoden leben davon, gezielt Tröpfchen einer bestimmten Größe zu erzeugen – auch dabei könnte eine genaue Kenntnis ihrer Wachstumsphasen helfen.

Ansprechpartner
Dr. Birgit Krummheuer
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Telefon: +49 551 5176-668
Email: birgit.krummheuer@­ds.mpg.de
Prof. Dr. Jürgen Vollmer
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Telefon: +49 0551 5176-210
Email: juergen.vollmer@­ds.mpg.de
Originalveröffentlichung
Johannes Blaschke, Tobias Lapp, Björn Hof und Jürgen Vollmer
Breath Figures: Nucleation, Growth, Coalescence, and the Size Distribution of Droplets
Physical Review Letters 109, 068701 (2012), 10. August 2012
DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.068701

Dr. Birgit Krummheuer | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/6003154/tautropfen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Beton - gebaut für die Ewigkeit? Ressourceneinsparung mit Reyclingbeton
19.04.2017 | Hochschule Konstanz

nachricht Gelatine statt Unterarm
19.04.2017 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

VLC 200 GT von EMAG: Neue passgenaue Dreh-Schleif-Lösung für die Bearbeitung von Pkw-Getrieberädern

27.04.2017 | Maschinenbau

Induktive Lötprozesse von eldec: Schneller, präziser und sparsamer verlöten

27.04.2017 | Maschinenbau

Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

27.04.2017 | Informationstechnologie