Neue Studie löst Rätsel, wie weiche Flüssigkeitströpfchen harte Oberflächen erodieren

Eine einzigartige Studie unter der Leitung von Forschern der University of Minnesota Twin Cities zeigt, warum Flüssigkeitströpfchen die Fähigkeit haben, harte Oberflächen zu erodieren. Die Entdeckung könnte Ingenieuren helfen, bessere, erosionsbeständigere Materialien zu entwickeln.

Mit einer neu entwickelten Technik konnten die Forscher verborgene Größen wie die Scherspannung und den Druck messen, die durch den Aufprall von Flüssigkeitströpfchen auf Oberflächen entstehen, ein Phänomen, das bisher nur visuell untersucht wurde.

Das Papier ist erschienen in Naturkommunikation.

Forscher untersuchen seit Jahren die Auswirkungen von Tröpfchen, von der Art und Weise, wie Regentropfen auf den Boden auftreffen, bis hin zur Übertragung von Krankheitserregern wie COVID-19 in Aerosolen. Es ist allgemein bekannt, dass langsam tropfende Wassertropfen Oberflächen im Laufe der Zeit erodieren können. Aber warum kann etwas scheinbar Weiches und Fließendes einen so großen Einfluss auf harten Oberflächen haben?

„Es gibt ähnliche Sprichwörter in östlichen und westlichen Kulturen, die besagen, dass ‚Tropfendes Wasser Steine ​​aushöhlt‘“, erklärte Xiang Cheng, leitender Autor des Papiers und außerordentlicher Professor an der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften der Universität von Minnesota. „Solche Sprüche sollen eine moralische Lektion erteilen: ‚Sei hartnäckig. Auch wenn du schwach bist, wenn du kontinuierlich etwas tust, wirst du etwas bewirken.‘ Aber wenn etwas so Weiches wie Tröpfchen auf etwas so Hartes wie Steine ​​trifft, kommt man nicht umhin, sich zu fragen: „Warum verursacht der Fallaufprall überhaupt Schaden?“ Diese Frage hat unsere Forschung motiviert.“

Bisher wurde der Tropfenaufprall nur visuell mit Hochgeschwindigkeitskameras analysiert. Die neue Technik der Forscher der University of Minnesota, Hochgeschwindigkeits-Stressmikroskopie genannt, bietet eine quantitativere Möglichkeit, dieses Phänomen zu untersuchen, indem die Kraft, Spannung und der Druck unter Flüssigkeitstropfen direkt gemessen werden, wenn sie auf Oberflächen treffen.

Die Forscher fanden heraus, dass sich die von einem Tropfen ausgeübte Kraft tatsächlich mit dem auftreffenden Tropfen ausbreitet – anstatt sich in der Mitte des Tropfens zu konzentrieren – und die Geschwindigkeit, mit der sich der Tropfen ausbreitet, die Schallgeschwindigkeit für kurze Zeit übersteigt und einen Schock erzeugt Welle über die Oberfläche. Jedes Tröpfchen verhält sich wie eine kleine Bombe, die ihre Aufprallenergie explosionsartig freisetzt und ihr die Kraft verleiht, die erforderlich ist, um Oberflächen im Laufe der Zeit zu erodieren.

Abgesehen davon, dass diese Forschung einen neuen Weg zur Untersuchung des Aufpralls von Tröpfchen ebnet, könnte diese Forschung Ingenieuren dabei helfen, erosionsbeständigere Oberflächen für Anwendungen zu entwickeln, die den Elementen im Freien standhalten müssen. Cheng und sein Labor an der University of Minnesota Twin Cities planen bereits, diese Forschung auszuweiten, um zu untersuchen, wie unterschiedliche Texturen und Materialien die von Flüssigkeitströpfchen erzeugte Kraft verändern.

„Zum Beispiel streichen wir die Oberfläche eines Gebäudes oder beschichten Windturbinenblätter, um die Oberflächen zu schützen“, sagte Cheng. „Aber im Laufe der Zeit könnten Regentropfen immer noch Schäden durch Aufprall verursachen. Unsere Forschung nach diesem Artikel soll also sehen, ob wir die Scherspannung von Tropfen reduzieren können, was es uns ermöglichen würde, spezielle Oberflächen zu entwerfen, die die Spannung abschwächen können. „

Neben Cheng gehörten zum Forschungsteam Ph.D. Studentin Ting-Pi Sun, Universität Santiago, Chile, Assistenzprofessor Leonardo Gordillo, und die Studenten Franco Álvarez-Novoa und Klebbert Andrade, und O’Higgins University, Chile, Assistenzprofessor Pablo Gutiérrez.