Neues Modell ermöglicht die Beschreibung rutschender Tropfen

Das Verhalten von Tropfen auf Oberflächen ist für vielfältige Anwendungen von Interesse. Allerdings hängen Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Reibung oder Form auf geneigten Flächen von einer Vielzahl von Parametern ab – ihr Verhalten ist durch Theorien noch immer nicht vollständig vorhersehbar. Forscher um Hans-Jürgen Butt vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung haben sich nun diesem Problem angenommen und ein einfaches phänomenologisches Modell entwickelt, mit dem sie den Weg eines Tropfens genau vorhersagen können.

Ob Tintenstrahldrucker, Solarzelle, Brille oder Kamera – die Wechselwirkung von Tropfen mit Oberflächen spielt bei einer Vielzahl alltäglicher Phänomene eine Rolle. Bei einem Tintenstrahldrucker müssen die Tropfen lange an Ort und Stelle bleiben, um einen exakten Druckpunkt zu erzeugen. Bei Solarzellen hingegen sollen Tropfen möglichst schnell abperlen und Schmutz mitnehmen – das Gleiche gilt auch für Brillen oder Kameraobjektive, auf denen Tropfen die Sicht behindern.

Wie Tropfen jedoch mit Oberflächen interagieren und wie sie sich darauf verhalten, ist auf mikroskopischer Ebene ein komplexer Prozess, der stark von den Eigenschaften der Oberfläche abhängt. Bisher ist es nicht möglich, die Abrollgeschwindigkeit und damit die Reibung eines Tropfens auf einer Oberfläche vorherzusagen. Wasserabweisende Oberflächen neigen dazu, kugelförmige Tropfen zu bilden, die wenig Reibung mit der Oberfläche zeigen. Dadurch können sie auch bei kleinen Neigungswinkeln abrollen. Wasserliebende Oberflächen führen zu flachen Tropfen, deren Bewegung große Neigungswinkel erfordert.

Angesichts der Vielzahl an Oberflächen und Flüssigkeiten, die in technologischen Anwendungen miteinander in Kontakt kommen können, stellten sich Hans-Jürgen Butt, Rüdiger Berger und Kollegen die Frage, wie die Interaktion mit der Oberfläche und damit auch die Reibung von Tropfen so universell beschrieben werden kann möglich. Dazu haben sie verschiedene Tropfenparameter an inerten, also nicht chemisch reagierenden, und glatten Oberflächen gemessen: Wie groß ist die Geschwindigkeit des fließenden Tropfens? Wie breit bzw. lang ist der Tropfen? Welchen Winkel bildet die Flüssigkeitsoberfläche mit der festen Oberfläche – am vorderen und hinteren Ende des Tropfens?

Durch die Messung des Verhaltens verschiedener Flüssigkeiten wie Wasser, Glycerin oder Silikonöl auf unterschiedlichen Oberflächen wie Silikon, Glas oder Teflon konnten die Forscher einen Zusammenhang feststellen. Dies zeigt, dass die Reibung eines Flüssigkeitstropfens auf einer Oberfläche allein durch einen dimensionslosen Parameter beschrieben werden kann.

In Kombination mit den Eigenschaften der Flüssigkeit, die durch ihre Viskosität beschrieben werden, kann dies die Abrollgeschwindigkeit von Tropfen vollständig beschreiben. Xiaomei Li, eine Doktorandin, die maßgeblich an dem Projekt beteiligt war, sagt: „Als Chemiker hätte ich nie gedacht, dass ich die Reibung von Flüssigkeiten untersuchen würde. Als ich mit dem Projekt begann, konnte ich mir nicht vorstellen, dass rollende Tropfen so gut beschrieben werden könnten.“ einfach mit nur einem dimensionslosen Parameter. Alles schien viel komplizierter zu sein.

Rüdiger Berger, Gruppenleiter in Butts Abteilung, ergänzt: „Tropfen sind faszinierend. Jeder Tropfen, der mir jetzt begegnet, sei es unter der Dusche oder beim Kochen, sehe ich in einem neuen Licht. Wie bewegt sich der Tropfen? Warum bewegt er sich, und das ist.“ wird es irgendwo stecken bleiben?“

Ergänzt wurden die Untersuchungen durch numerische Simulationen, die im Rahmen des Verbundforschungsprojektes SFB 1194 durchgeführt wurden. Diese zeigen, dass die Reibung im Flüssigkeitstropfen zu einem großen Teil entlang der Tropfenkante bis zur Oberfläche erfolgt.

Mit ihrer Arbeit hoffen die Wissenschaftler, in Zukunft das Verhalten von Tropfen auf Oberflächen genau vorhersagen zu können und so vorherzusagen, welche Oberfläche für welche Anwendung am besten geeignet ist. Ihre Ergebnisse haben sie nun in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.