Von den Regentropfen, die an Ihrem Fenster herunterrollen, bis hin zur Flüssigkeit, die einen COVID-Schnelltest durchläuft – wir können keinen Tag verbringen, ohne die Welt der Fluiddynamik zu beobachten. Natürlich ist die Art und Weise, wie Flüssigkeiten über und durch Oberflächen wandern, ein intensiv erforschtes Thema, wobei neue Entdeckungen tiefgreifende Auswirkungen auf die Bereiche Energieumwandlungstechnologie, Elektronikkühlung, Biosensoren und Mikro-/Nanofertigung haben können.
Mithilfe mathematischer Modellierung und Experimente haben Forscher der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Kyushu-Universität nun ein grundlegendes Prinzip der Fluiddynamik erweitert. Ihre neuen Erkenntnisse könnten zu einer effizienteren Produktentwicklung in vielen flüssigkeitsbasierten Industrien führen, beispielsweise in der High-End-Elektronikfertigung und der Lab-on-a-Chip-Diagnose von Krankheiten.
„Wir leben in einer allgegenwärtigen Welt voller Flüssigkeiten und Strömungen“, erklärt Assistenzprofessor Zhenying Wang, der Erstautor der Studie, die im veröffentlicht wurde Zeitschrift für Fluiddynamik. „Im Laufe der Jahrzehnte haben Wissenschaftler Anstrengungen unternommen, um die scheinbar einfachen Phänomene des Flüssigkeitsflusses und der Flüssigkeitsausbreitung mathematisch zu beschreiben. Das Tannersche Gesetz beschreibt beispielsweise, wie sich ein Wassertropfen im Laufe der Zeit auf einer festen Oberfläche ausbreitet.“
Diese Gleichungen bleiben jedoch unvollständig. Selbst das klassische Tannersche Gesetz gilt nur für nichtflüchtige Flüssigkeiten wie Öl. Bei flüchtigen Flüssigkeiten wie Wasser, Alkohol und Parfümen wird das Gesetz weniger zuverlässig, da die Thermodynamik zwischen Luft, Flüssigkeit und Oberfläche ins Spiel kommt.
Strömungsmuster der beiden flüchtigen Flüssigkeiten Butanol (links) und Isopropylalkohol (rechts) auf einem Glasobjektträger nahe der dreiphasigen Kontaktlinie: Oberfläche, Flüssigkeit und Luft. Die Bewegung kann durch Markierungspartikel visualisiert werden, wobei sich die Markierungsspuren fluoreszierender Partikel über 100 fortlaufende Bilder überlappen. Obwohl beide Flüssigkeiten flüchtig sind, kann ihre Bewegungsdynamik erheblich variieren. Während die Kapillarwirkung das Tröpfchen über die Oberfläche bewegt, führt der Marangoni-Effekt im Fall von IPA dazu, dass die Flüssigkeit stagniert. Die Forscher nutzten diese Erkenntnisse, um das aktuelle Verständnis der Fluiddynamik von Flüssigkeiten zu erweitern. Bildnachweis: Kyushu University/Inoue Lab
„Deshalb haben wir uns mit den aktuellen Gesetzen befasst, in der Hoffnung, unser Verständnis der Dynamik flüchtiger Flüssigkeiten zu erweitern“, fährt Wang fort. „Wir begannen mit der mathematischen Einführung von Parametern, die widerspiegeln, wie flüchtige Flüssigkeiten unter ähnlichen Bedingungen reagieren, als das Tanner-Gesetz abgeleitet wurde.“
Anschließend führte das Team – in Zusammenarbeit mit Prashant Valluri von der University of Edinburgh und George Karapetsas von der Aristoteles-Universität Thessaloniki – eine Reihe von Experimenten durch, um die Bewegung und Thermodynamik flüchtiger Flüssigkeiten sorgfältig abzubilden. Diese beiden Ansätze ermöglichten es den Forschern, die etablierten Prinzipien der Fluiddynamik zu erweitern und ein vielfältigeres Bild der Physik flüchtiger Flüssigkeiten zu erstellen, die mit einer Oberfläche und der Luft interagieren.
„Die hier vorliegende Arbeit stellt ein breites Spektrum realer Fälle dar und zeichnet ein vollständigeres Bild der Flüssigkeitsdynamik, das nicht einfach durch das Tanner-Gesetz erklärt werden könnte“, erklärt Co-Autor der Arbeit, außerordentlicher Professor Chihiro Inoue.
„Auf einer praktischeren Ebene könnten diese Ergebnisse eine bedeutende Rolle in verschiedenen flüssigkeitsbasierten Industrien spielen, beispielsweise bei der Kühlung von Elektronik und anderen Energiegeräten. Die Welt der Fluiddynamik kann sehr akribisch sein, aber eine sorgfältige Untersuchung ist erforderlich.“ wenn wir hoffen, die grundlegenden Strömungen um uns herum zu entschlüsseln.
Mehr Informationen:
Zhenying Wang et al., Rolle der Flüchtigkeit und der thermischen Eigenschaften bei der Tröpfchenausbreitung: eine Verallgemeinerung des Tannerschen Gesetzes, Zeitschrift für Strömungsmechanik (2024). DOI: 10.1017/jfm.2024.385