Die Physik der Fettaugen
Die Bildung der Tropfen hängt von den Eigenschaften der Flüssigkeit und der Dicke der Flüssigkeitsschicht ab.
Wir alle kennen die kleinen Fetttropfen, die auf einer Suppe oder auch auf Wasseroberflächen schwimmen. „Sie entstehen aus einem anfänglich gleichmäßigen Ölfilm“, erklärt Physiker Ralf Seemann von der Universität des Saarlandes. Wie bei allen natürlichen Systemen streben auch die Öltropfen an, einen Zustand des Gleichgewichts zu erreichen. „Hat sich dies eingestellt, haben die Fettaugen eine linsenähnliche Form, die durch die Oberflächenspannungen der beteiligten Grenzflächen bestimmt ist“, berichtet er weiter.
Abb.: Die Entwicklung endet, wenn der Tropfen seine linsenfömige Gleichgewichtsform oder die feste Unterlage erreicht und so kein Weiterkommen mehr möglich ist. (Bild: AG Seemann / UdS)
Das Team von Ralf Seemann ist zusammen mit Berliner Mathematikern um Barbara Wagner der Frage nachgegangen, wie Tröpfchen, die auf einer nicht-mischbaren Flüssigkeit schwimmen, entstehen. Die Wissenschaftler haben zunächst beobachtet, wie sich die Form eines Tropfens im Laufe der Zeit verändert. „Um dies präzise zu messen, haben wir unsere Versuche mit nicht-mischbaren Polymerschmelzen durchgeführt“, erläutert Seemann. Diese Schmelzen besitzen temperaturabhänige Viskositäten, die für die Untersuchungen besser geeignet sind als zum Beispiel Wasser; so können sie auch eingefroren werden, ohne dass sie ihre Form verändern. „Damit die Gravitation die Ergebnisse nicht beeinflusst, haben wir die Experimente zudem an nur einem Mikrometer großen Tropfen durchgeführt. Diese sind circa hundertmal kleiner als das menschliche Haar.“
Die Forscher konnten in ihrer Studie zeigen, dass ein sich bildender Tropfen ein Strömungsprofil verursacht, das noch tief in der darunterliegenden Flüssigkeit zu Einfluss hat. „Daher hängen die dynamische Tropfenform und die Zeit, in der sich der Tropfen bildet, empfindlich von der Viskosität und der Dicke der darunterliegenden Flüssigkeitsschicht ab“, kommentiert der Saarbrücker Physiker die Ergebnisse.
„Die Tropfen entwickeln schon zu einem vergleichsweise frühen Zeitpunkt eine Form, die nicht mehr von ihrem Anfangszustand, sondern nur noch von ihrem Volumen abhängt. Dies zeigen unsere numerischen Simulationen der dazu entwickelten mathematischen Modelle“, berichtet Barbara Wagner von der Technischen Universität Berlin und dem Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik. Im weiteren Verlauf sind die unterschiedlichen Tropfen in ihrer Form nicht mehr zu unterscheiden. Ist zusätzlich noch die untere Flüssigkeitsschicht sehr dünn, so können die Tropfen ihre Übergangsformen sogar beibehalten, ohne je ihre Gleichgewichtsform zu erreichen.
UdS/TU Berlin / PH
