Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Fließphänomene an festen Oberflächen: Grenzflächengeschwindigkeit als wichtige Größe nachgewiesen

10.02.2016

Wie man bewirken kann, dass Flüssigkeiten auf festen Oberflächen fast wie ein Schlitten gleiten können, haben jetzt Physiker der Saar-Universität gemeinsam mit Forscherkollegen aus Paris gezeigt: Möglich ist das durch Beschichtungen, die an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Oberfläche ein Rutschen der Flüssigkeit provozieren. In der Folge vergrößern sich auch die mittlere Fließgeschwindigkeit und der Durchsatz. Gezeigt wurde dies am Verhalten von Tropfen auf verschieden beschichteten Oberflächen beim Übergang in den Gleichgewichtszustand. Die Ergebnisse könnten für die Optimierung industrieller Prozesse nutzbar sein, beispielsweise zur Verarbeitung von Kunststoffen.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) veröffentlicht.


Polystyrol-Tropfen nehmen auf zwei unterschiedlichen Substraten langsam denselben Gleichgewichtskontaktwinkel ein, jedoch über unterschiedliche Geschwindigkeits- und Bewegungsprofile der Moleküle.

Grafik: Thomas Braun, Heidelberg

Strömen Flüssigkeiten über feste Oberflächen, so ist ihre Fließgeschwindigkeit unmittelbar an der Grenzfläche gleich null. „Durch eine spezielle Beschichtung der Oberfläche lässt sich die Grenzflächengeschwindigkeit der Flüssigkeit erhöhen. Damit verkleinern sich gleichzeitig die Scherkräfte innerhalb der Flüssigkeit, und ihre mittlere Fließgeschwindigkeit wird größer – maximal so viel, dass sich die Flüssigkeit nahezu wie ein Festkörper verhält, ohne jedoch ihre Viskosität zu ändern“, sagt Karin Jacobs, Professorin für Experimentalphysik an der Saar-Uni.

Wie sich unterschiedliche Oberflächen genau auf die Grenzflächengeschwindigkeiten und das Gleitverhalten von Flüssigkeitsfilmen auswirken, hat ihre Arbeitsgruppe anhand von Experimenten mit Polystyrol-Tropfen untersucht. „Polystyrol ist ein wichtiger Kunststoff, aus dem beispielsweise CD-Hüllen hergestellt werden“, erläutert Dr. Joshua D. McGraw. Der ehemalige Postdoc-Mitarbeiter in Jacobs‘ Forschungsgruppe hat die Studie geleitet und dabei mit Wissenschaftlern um Physikprofessor Ralf Seemann und Kollegen am ESPCI ParisTech in Paris zusammengearbeitet.

McGraw brachte einzelne Polystyrol-Tropfen auf dünne Unterlagen aus Glimmer auf, wo sie eine recht flache Form einnahmen. In diesem Zustand wurden sie eingefroren und auf zwei neue, „weniger polystyrolfreundliche“ Substrate aufgebracht, die sich an der Oberfläche nicht in ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern nur in der Anordnung ihrer Atome voneinander unterschieden. Auf beiden zogen sich die Tropfen zu einer nahezu halbkugeligen Form zusammen.

„Tropfen haben immer die Tendenz, eine Gleichgewichtsform anzunehmen, bei der sie einen bestimmten Kontaktwinkel zur Oberfläche bilden. Dieser Gleichgewichtszustand wird von den Grenzflächenbedingungen bestimmt“, erklärt Karin Jacobs.

Auf beiden Substraten nahmen die Polystyrol-Tropfen den gleichen Gleichgewichtskontaktwinkel ein, allerdings zeigten Tropfenprofil-Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop deutliche Unterschiede in der Art und Weise, wie sich die Tropfen beim Übergang vom kleineren zum größeren Kontaktwinkel in ihre neue Form zusammenziehen.

„Dies konnte nur bedeuten, dass sich die Moleküle in den Tropfen auf den zwei verschiedenen Unterlagen auf unterschiedlichen Wegen bewegen, dass also das Geschwindigkeitsprofil in beiden Tropfen unterschiedlich sein musste“, erläutern Dr. Martin Brinkmann und Dr. Tak Shing Chan aus der Gruppe von Professor Ralf Seemann. „Experimentell ist dies in der benötigten Auflösung allerdings nicht zugänglich. Daher waren wir auf Unterstützung durch unsere theoretisch arbeitenden Kollegen in Paris angewiesen.“

Die Saarbrücker Wissenschaftler vermuteten nämlich, dass die Geschwindigkeit der Flüssigkeit an der festen Oberfläche ein entscheidender Faktor für das Fließverhalten von Flüssigkeiten ist. Diese in ein Modell einzupflegen, gelang den Forscherkollegen am ESPCI in Paris. Aus der theoretischen Beschreibung konnten Martin Brinkmann und Tak Shing Chan anschließend Simulationen erstellen, die das Geschwindigkeitsfeld der Moleküle innerhalb eines Tropfens offenbaren.

„Damit konnten wir zeigen, dass bereits atomar kleine Modifikationen einer festen Oberfläche zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Moleküle in einem flüssigen System führen können, welches die Dicke der Oberflächenbeschichtung um viele Größenordnungen übertrifft“, fasst Jacobs die Ergebnisse der Experimente zusammen.

Die Forschungsergebnisse können dazu beitragen, industrielle Prozesse zu optimieren, beispielsweise „beim Strangpressen von Polymeren“, sagt Karin Jacobs. Dabei werden Kunststoffe durch Düsen gepresst, ähnlich wie Spätzleteig durch eine Presse; bei beiden Vorgängen wirken hohe Scherkräfte. „Nachdem der Teig die Presse passiert hat, weitet sich der Strang aufgrund der nun geringeren Fließgeschwindigkeit auf“, so Jacobs. „Diese Strangaufweitung ist in der Industrie meist unerwünscht und könnte mit einer geeigneten Düsenbeschichtung unterdrückt werden.“

Link zur Veröffentlichung:
http://www.pnas.org/content/early/2016/01/15/1513565113.abstract
doi: 10.1073/pnas.1513565113

Kontakt:
Prof. Dr. Karin Jacobs
Universität des Saarlandes
Experimentalphysik
Tel.: 0681 302-717 88
E-Mail: k.jacobs@physik.uni-saarland.de
http://www.uni-saarland.de/jacobs

Gerhild Sieber | Universität des Saarlandes

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie