Elektrostatik beeinflusst die Bewegung von Tropfen auf Oberflächen

Etwas so Einfaches wie die Bewegung von Wassertropfen auf Oberflächen sollte eigentlich verstanden werden – sollte man meinen. Tatsächlich gibt es noch zahlreiche unbeantwortete Fragen zu den Kräften, die auf einen gleitenden Tropfen wirken. Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Zusammenarbeit mit Kollegen der TU Darmstadt hat nun herausgefunden: Neben der Oberflächenenergie und der viskosen Reibung innerhalb des Tropfens spielt auch die Elektrostatik eine wesentliche Rolle. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturphysik.

Regentropfen treffen auf das Autofenster und der Wind schiebt die Tropfen zur Seite. Bis heute konnte niemand genau vorhersagen, wie sich die Tropfen auf der Windschutzscheibe bewegen. Doch ein solches Verständnis ist in zahlreichen Bereichen wichtig, etwa beim autonomen Fahren: Beispielsweise sollen in der Windschutzscheibe verbaute Kameras die Straße und das Verkehrsgeschehen im Blick behalten – dazu muss die Oberfläche der Windschutzscheibe entsprechend gestaltet sein so dass die Tropfen vom Fahrtwind komplett heruntergeblasen werden und die Sicht auch bei Regen klar bleibt. Andere Beispiele mit umgekehrtem Vorzeichen sind Anwendungen, bei denen Tropfen auf Oberflächen haften müssen, wie z. B. Sprühfarbe oder Pestizide.

„Bisher ging man davon aus, dass die Oberflächenbeschichtung dafür verantwortlich ist, wie sich der Tropfen auf einer Oberfläche bewegt – also die ersten paar Molekülschichten“, sagt Prof. Dr. Hans-Jürgen Butt, Leiter des Fachgebiets „Physik der Grenzflächen“. Abteilung am Max-Planck-Institut für Polymerforschung. Beispielsweise hängt es von der Oberfläche ab, ob sich eine kugelförmige oder eine flache Tropfenform bildet. Gefällt dem Tropfen die Oberfläche, drückt er sich flach darauf, um möglichst viel Kontakt zu haben. Gefällt ihm die Oberfläche nicht, wie beim bekannten Lotuseffekt, rollt er sich zusammen. Es war auch klar, dass bei der Bewegung eines Tropfens innerhalb des Tropfens eine viskose Reibung – also Reibung zwischen den einzelnen Wassermolekülen – auftritt, die auch seine Bewegung beeinflusst.

Elektrostatik verursacht Geschwindigkeitsunterschiede

Das Forscherteam am MPI für Polymerforschung fand heraus, dass weder Kapillarkräfte noch viskoelastische Kräfte die Unterschiede in der Geschwindigkeit erklären können, mit der sich Tröpfchen über verschiedene Oberflächen bewegen. Fragen warf insbesondere die Tatsache auf, dass die Tröpfchen auf unterschiedlichen Substraten unterschiedlich schnell laufen – selbst wenn diese Substrate eine identische Oberflächenbeschichtung aufweisen, wo keine Unterschiede zu erwarten wären. Die Forscher führten daher zunächst eine mysteriöse „Extrakraft“ ein. Um es aufzuspüren, hat Xiaomei Li, ein Ph.D. Student im Fachbereich Hans-Jürgen Butt, organisierte ein Drop Race. „Ich habe die Tropfen auf verschiedenen Substraten gefilmt, aus ihrer Bewegung Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile extrahiert, die bereits bekannten Kräfte berechnet, um die Kraft zu berechnen, die wir uns noch nicht angesehen haben“, erklärt sie.

Das erstaunliche Ergebnis: Die berechnete Kraft stimmt mit einer elektrostatischen Kraft überein, die die Forscher vor einigen Jahren erstmals in einem Modell beschrieben haben. „Durch den Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit diesem numerischen Modell können wir bisher verwirrende Tröpfchenflugbahnen erklären“, sagt Jun.-Prof. Stefan Weber, Gruppenleiter in Butts Abteilung.

Gleiten zuvor neutrale Tröpfchen über einen Isolator, können sie sich elektrisch aufladen: Dort spielt also die Elektrostatik eine große Rolle. Auf einem elektrisch leitfähigen Substrat hingegen gibt das Tröpfchen seine Ladung sofort wieder an das Substrat ab. „Daher hat die elektrostatische Kraft, die bisher niemand berücksichtigt hatte, einen großen Einfluss: Sie muss für Wasser, wässrige Elektrolyte und Ethylenglykol auf allen getesteten hydrophoben Oberflächen berücksichtigt werden“, fasst Weber zusammen. Die Ergebnisse hat das Forscherteam nun in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturphysik. Diese Ergebnisse werden die Steuerung der Tröpfchenbewegung in vielen Anwendungen verbessern, die vom Drucken über Mikrofluidik oder Wassermanagement bis hin zur Stromerzeugung über tröpfchenbasierte Minigeneratoren reichen.