Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mal Schicht, mal nicht

22.01.2013
Wann sich eine Flüssigkeit auf einer rauen Oberfläche als dünner Film abscheidet und wann sie Tropfen bildet, lässt sich auf einfache Weise erklären

Flüssigkeitsfilme und -tröpfchen, die eine raue Oberfläche überziehen, sind ein Alltagsphänomen: Allmorgendlich verwandeln etwa Tautropfen Blätter und Gräser in magische Schönheiten, während ein Film aus Regenwasser auf dem Straßenasphalt (spätestens wenn er gefriert) jedem Autofahrer gefährlich werden kann. Doch wie lässt sich verstehen, unter welchen Bedingungen durchgängige Flüssigkeitsschichten oder nur vereinzelte Tropfen entstehen?


Beim Lotus-Effekt füllt eine dünne Schicht aus Luft die mikroskopische Rauigkeit der Oberfläche aus. Wasser kann dadurch nicht eindringen und perlt ab. © Foto: Jutta Wolf (Ulm)

Bisherige Theorien dazu beschrieben vor allem ideal glatte – und somit unrealistische - Oberflächen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen haben nun erstmals eine allgemeine Theorie entwickelt, die auf die Frage nach Film oder Tröpfchen auch für raue Oberflächen eine Antwort liefert. Diese kommt mit verblüffend einfachen mathematischen Ausdrücken aus – und könnte etwa vorhersagen, wann es in Umspannwerken zu Kurzschlüssen kommt.

Größere Mengen an Flüssigkeiten sind ausgesprochen wandelbar: Mühelos füllen sie jedes Gefäß, passen ihre äußere Form jeder Oberfläche oder Begrenzung an. Mikroskopisch dünne Flüssigkeitsfilme hingegen sind anders. Sie müssen vermitteln zwischen der rauen Oberfläche des Gegenstandes und der freien Flüssigkeitsoberfläche, die wegen der Oberflächenspannung möglichst glatt sein möchte. Bei dieser Gratwanderung kann es etwa energetisch günstiger sein, dass sich auf einer Oberfläche statt eines Films winzige Tröpfchen bilden – wie beim morgendlichen Tau, der Blätter, Spinnennetze und Windschutzscheiben überzieht.

Forschern des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen ist es nun erstmals gelungen, eine allgemeine Theorie für dieses Verhalten aufzustellen, die für die große Mehrheit natürlicher Oberflächen gilt. „Bisher haben sich Physiker bei dieser Frage in erster Linie auf sehr spezielle Oberflächen konzentriert, etwa solche mit regelmäßigen, mikroskopischen Ritzen und Rillen“, erklärt Stephan Herminghaus, Direktor am Göttinger Max-Planck-Institut. Diese lassen sich etwa mit Methoden der Lithographie herstellen und erlauben eine vergleichsweise einfache mathematische Beschreibung.

Dampfdruck und Benetzungswinkel entscheiden über das Verhalten der Flüssigkeit

„Mit den allermeisten Oberflächen aus unserer Alltagswelt – von der Hauswand bis zur Tischplatte – haben sie jedoch nichts zu tun“, gibt der Physiker zu bedenken. Solche „Alltagsoberflächen“ zeichnen sich durch eine unregelmäßige Verteilung mikroskopischer Hügel und Täler aus, deren Größe und Form statistischen Schwankungen unterliegt. „In der Regel haben die Strukturen Abmessungen von vielen Nano- bis zu einigen Mikrometern“, so Herminghaus.

In ihren Rechnungen beschreiben die Göttinger Forscher diese Rauigkeit als statistische Höhenverteilung: Die Berge und Täler treten ungeordnet und ohne Muster auf. Einzige Voraussetzungen sind, dass die Höhen auf der gesamten Oberfläche ähnlich sind und nicht zu stark schwanken. „Dadurch ergeben sich verblüffend einfache Ausdrücke, deren Verständnis kaum mehr als Schulmathematik voraussetzt“, erklärt Herminghaus. In seinem Forschungsfeld, in dem sonst fast ausschließlich komplexe Computersimulationen schwer handhabbarer Gleichungen zum Ziel führen, ist dies eine kleine Sensation.

Die neuen Gleichungen offenbaren, dass das Verhalten von Flüssigkeiten auf einfache Weise von zwei Größen abhängt: dem Benetzungswinkel, der angibt, mit welcher Neigung die Flüssigkeitsoberfläche auf den Untergrund trifft, und dem Dampfdruck in der umgebenden Luft (das heißt der Luftfeuchtigkeit). „Bei ideal glatten Oberflächen spielt der Dampfdruck keine so große Rolle“, erklärt Herminghaus. Dort muss sich die Flüssigkeit nicht in an so viele Randbedingungen, wie sie etwa von mikroskopischen Mulden und Tälern vorgegeben werden, anpassen. Bei rauen Oberflächen hingegen ist der Einfluss beträchtlich: Erhöhen sich Druck oder Winkel nur leicht, kann es geschehen, dass sich ein Flüssigkeitsfilm schlagartig in viele einzelne Tröpfchen verwandelt – oder umgekehrt.

Bei zu hohem Wasserdruck geht der Lotuseffekt verloren

Physiker sprechen in solchen Fällen von einem Übergang zwischen zwei Phasen. In der so genannten nassen Phase bildet die Flüssigkeit einen nahezu durchgängigen Film auf der rauen Oberfläche. Fast alle mikroskopischen Täler sind gefüllt, nur vereinzelt durchbricht ein besonders hoher Hügel die Wasseroberfläche. In der trockenen Phase hingegen bleiben weite Teile der Oberfläche unbenetzt. Stattdessen klumpt die Flüssigkeit zu Tropfen zusammen. „Das System wählt immer die Lösung, die je nach Dampfdruck und Benetzungswinkel am wenigsten Energie erfordert“, so Herminghaus.

Mit diesen neuen Erkenntnissen können die Wissenschaftler nun prinzipiell berechnen, welche Luftfeuchtigkeit erreicht sein muss, damit eine Oberfläche durchgängig nass wird. Für eine Prognose ist es dann lediglich notwendig, die statistischen Eigenschaften der Oberflächenrauigkeit zu kennen. Interessant könnten solche Überlegungen etwa für die Betreiber von Umspannwerken sein. Überzieht dort ein geschlossener Flüssigkeitsfilm die Isolatoren, kann es zu Kurzschlüssen kommen. „Sobald sie durch Verwitterung rau werden, erfüllen die Keramiken, die dort eingesetzt werden, in etwa unsere Voraussetzungen“, so Herminghaus. Zum Vorhersagen feuchter Kellerwände seien die neuen Ergebnisse hingegen noch nicht geeignet. Manche Materialien sind dafür zu uneinheitlich: Ziegelsteine etwa sind zu grobporig und zu stark strukturiert. Für diese Stoffe müsste die Theorie erst noch erweitert werden.

Auch für den Lotus-Effekt, bei dem Flüssigkeitstropfen elegant von rauen Oberflächen abperlen, spielen die neuen Erkenntnisse eine Rolle. Dort spielt allerdings ein dünner Luftfilm die Rolle der Flüssigkeit und das Wasser übernimmt den Part der Luft. Füllt ein solcher Film die Täler der Oberfläche aus, können Wassertropfen nicht eindringen. Sie schweben auf einer Art mikroskopischem Luftkissen und perlen ab. Erst wenn diese durchgängige Luftschicht zusammenbricht, weil der Druck des Wassers zu groß wird, kann die Feuchtigkeit in die Vertiefungen eindringen und die Blattoberfläche benetzen.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Stephan Herminghaus,
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Telefon: +49 551 5176-200
Fax: +49 551 5176-202
E-Mail: stephan.herminghaus@­ds.mpg.de

Dr. Birgit Krummheuer,
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Telefon: +49 551 5176-668
E-Mail: birgit.krummheuer@­ds.mpg.de

Originalpublikation
Stephan Herminghaus
Universal Phase Diagram for Wetting on Mesoscale Roughness
Physical Review Letters, 109, 236102 (5. Dezember 2012)

Prof. Dr. Stephan Herminghaus | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de
http://www.mpg.de/6855351/benetzung_raue_oberflaeche

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forschung für „massiven Leichtbau“ geht weiter
23.04.2015 | Universität Bremen

nachricht Simulationsberechnungen für Automobilbauteile aus naturfaserverstärkt. Kunststoffen künftig möglich
22.04.2015 | Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Elektromobilität: Ultraleichtes Kraftpaket für das elektrische Fliegen

Siemens hat einen einzigartigen Elektromotor entwickelt, der hohe Leistung mit einem minimalen Gewicht kombiniert. Durch konsequente Optimierung aller Komponenten stellt der neue Antrieb in seiner Klasse einen Weltrekord beim Leistungsgewicht auf. Dadurch kommt der routinemäßige Einsatz von elektrisch angetriebenen Flugzeugen oder Helikoptern einen großen Schritt näher.

Manchmal lässt sich eine technische Revolution ganz knapp in einer einzigen Zahl zusammenfassen. In diesem Fall lautet sie: fünf Kilowatt pro Kilogramm – das...

Im Focus: Fast and Accurate 3-D Imaging Technique to Track Optically-Trapped Particles

KAIST researchers published an article on the development of a novel technique to precisely track the 3-D positions of optically-trapped particles having complicated geometry in high speed in the April 2015 issue of Optica.

Daejeon, Republic of Korea, April 23, 2015--Optical tweezers have been used as an invaluable tool for exerting micro-scale force on microscopic particles and...

Im Focus: Von Innen nach Außen: Rätsel der galaktischen Scheiben gelöst

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Ivan Minchev, Wissenschaftler am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP), hat mithilfe hochmoderner theoretischer Modelle das Rätsel um die Entwicklung der Galaxienscheiben gelöst. Die jetzt veröffentlichte Studie zeigt, dass sich Sternpopulationen gleichen Alters durch Galaxienkollisionen nach außen hin ausweiten. Ähnlich wie die Blüten einer Rose reichern sich diese Populationen schichtweise in der Galaxie an und formen so allmählich die dicke Scheibe.

„Wir können nun zum ersten Mal zeigen, dass dicke Scheiben nicht nur aus alten Sterngenerationen bestehen, sondern – in einem größeren Abstand zum...

Im Focus: NOAA, Tulane identify second possible specimen of 'pocket shark' ever found

Pocket sharks are among the world's rarest finds

A very small and rare species of shark is swimming its way through scientific literature. But don't worry, the chances of this inches-long vertebrate biting...

Im Focus: Morbus Crohn: neuer Entstehungsmechanismus entschlüsselt

Bakteriengemeinschaften verursachen Darmentzündung

Morbus Crohn zählt zu den chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED). Bei der Krankheit spielt die genetische Veranlagung eine Rolle - und offenbar auch...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Familienunternehmensforschung

24.04.2015 | Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie am 29. April 2015

24.04.2015 | Veranstaltungen

Wirtschaftsempfang 2015: WissensRÄUME

24.04.2015 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Simulation und virtuelle Welten: Virtueller Messerundgang mit dem Smartphone

24.04.2015 | Informationstechnologie

Elektromobilität: Ultraleichtes Kraftpaket für das elektrische Fliegen

24.04.2015 | Energie und Elektrotechnik

Siemens integriert Sitop-Stromversorgung in Prozessleitsystem Simatic PCS 7

24.04.2015 | Messenachrichten