Entgegengesetzt geladene Tropfen stoßen sich ab

In einem starken elektrischen Feld können positiv und negativ geladene Flüssigkeitstropfen nicht miteinander verschmelzen.

Schon vor 130 Jahren hatte Lord Rayleigh untersucht, wie geladene Wassertröpfchen in einem elektrischen Feld miteinander kollidieren. Seither hat man dieses Problem intensiv erforscht, nicht zuletzt wegen seiner wichtigen Rolle bei der Entstehung von Gewitterwolken oder bei technologischen Prozessen, etwa der Dehydrierung von Öl oder dem Tintenstrahldruck. Jetzt haben Forscher in den USA an entgegengesetzt geladenen Tröpfchen ein bisher unbekanntes und überraschendes Verhalten beobachtet: Wenn die Tropfen in einem starken elektrischen Feld kollidierten, verschmolzen sie nicht sondern stießen sich ab.

Abb.: Je nach Stärke des elektrischen Feldes verschmilzt das 1 mm große Wassertröpfchen mit dem Meniskus oder prallt von ihm ab. (Bild: W. D. Ristenpart und B. Hamlin, U. C. Davis) 

William Ristenpart an der University of California in Davis und seine Kollegen haben die merkwürdigen Kollisionen an Wassertropfen studiert, die in Öl schwammen. Dazu füllten sie einen Behälter zur Hälfte mit Wasser, das sich unten absetzte, und zur Hälfte mit Silikonöl, das darüber lag. An zwei Elektroden, die ins Wasser bzw. ins Öl ragten, legten sie eine regelbare Hochspannung an. Es floss jedoch nur ein sehr kleiner Strom, da das Öl elektrisch nichtleitend war. Mit einer Pipette brachten die Forscher ein ca. 1 mm großes Wassertröpfchen in die Nähe der ins Öl ragenden positiven Elektrode, von der es durch Elektrophorese angezogen wurde. Es kam kurz mit der Elektrode in Kontakt, lud sich positiv auf und wanderte dann von der Öl-Elektrode weg zum Wasser im unteren Teil des Behälters.

Das Wasser bildete dort einen in der Mitte nach oben gewölbten Meniskus, der eine negative Ladung trug. Der Meniskus spielte dabei die Rolle eines fixierten Tropfens, von dem das Wassertröpfchen angezogen wurde. Mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera ließ sich erkennen, wie das Tröpfchen kurz vor der unausweichlichen Kollision in die Länge gezogen wurde und einen sogenannten Taylor-Kegel bildete, dessen Spitze schließlich den Meniskus berührte. War die anliegende elektrische Spannung nicht zu groß, so verlief die Kollision erwartungsgemäß. Aus dem Taylor-Kegel wurde eine Flüssigkeitsbrücke zwischen Meniskus und Tröpfchen, die sich rasch verbreiterte, bis schließlich das Tröpfchen gänzlich aufgesogen wurde.

War die Spannung jedoch hinreichend stark, so wurde das Tröpfchen nicht aufgesogen sondern wich vom Meniskus zurück. Wie die Kameraaufnahmen zeigten, hatte sich ein spitzerer Taylor-Kegel gebildet. Sobald der Kegel den Meniskus berührte, konnte über die entstandene Flüssigkeitsbrücke ein Ladungsausgleich stattfinden. Daraufhin fiel die elektrostatische Anziehungskraft weg, die den Kegel hervorgerufen hatte. Bei einem hinreichend spitzen Taylor-Kegel führte die Oberflächenspannung des Wassers dazu, dass sich die Brücke nach etwa 80 µs wieder einschnürte und das Tröpfchen den Kontakt mit dem Meniskus verlor. Da es nun negativ geladen war, lief es vom Meniskus fort und auf die Öl-Elektrode zu – und das Spiel konnte von vorne beginnen.

Die Forscher haben in Videos dokumentiert, wie einzelne Tröpfchen immer wieder zwischen der Elektrode und dem Meniskus hin- und her liefen. Auch mehrfache Kollisionen zwischen zwei Tröpfchen traten auf. Diese Phänomene ließen sich in unterschiedlichen Kombinationen von Flüssigkeiten beobachten. Es zeigte sich dabei, dass der Ausgang einer Tropfenkollision – Abprall oder Verschmelzung – nur davon abhing, ob der Öffnungswinkel des Taylor-Kegels im Moment des Kontaktes kleiner oder größer als ein kritischer Winkel war, der für Wasser in Öl ca. 31 Grad betrug. Die Größe des auftretenden Taylor-Winkels wurde dabei u. a. von der Stärke des elektrischen Feldes sowie der Oberflächenspannung und der Leitfähigkeit des Tropfens bestimmt. Angesichts der wichtigen Rolle, die die Kollision geladener Tröpfchen bei Vorgängen in der Natur und in der Technologie spielt, werden diese Resultate auf breites Interesse stoßen.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  W. D. Ristenpart et al.: Non-coalescence of oppositely charged drops. Nature 461, 377 (2009)
  dx.doi.org/10.1038/nature08294
  www.nature.com/nature/journal/v461/n7262/suppinfo/nature08294.html (Videos)
• Gruppe von William Ristenpart an der U. C. Davis:
  foodscience.ucdavis.edu/people/faculty/wristenpart

Weitere Literatur:

• Frieder Mugele: Fluid dynamics: To merge or not to merge… Nature 461, 356 (2009)

dx.doi.org/10.1038/461356a

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