Kontaktwinkel im Nanobereich bestimmen

Eine wichtige Eigenschaft von Oberflächen ist ihre Benetz­barkeit durch Flüssigkeiten. Makroskopische Objekte wie Pflanzen sind im Zusammenhang mit der Kapillarität auf besonders gute Benetz­barkeit angewiesen, die Flug­eigenschaft von Vögeln ist wiederum von möglichst geringer Benetzung der Flügel abhängig. Als Faustregel gilt: Gute Benetz­barkeit entspricht kleinen Kontakt­winkeln zwischen Oberfläche und Flüssigkeits­tropfen. Diese Effekte machen sich vorwiegend bei der Benetzung von Nano­teilchen bemerkbar, was z.B. bei der Wolken­entstehung eine Rolle spielt. Forschern der Universität Wien ist es nun erstmals gelungen, Kontakt­winkel an Nano­teilchen direkt zu bestimmen.

Makroskopische Kontaktwinkel lassen sich mittels mehrerer unterschiedlicher Methoden messen. Dagegen gibt es kaum Informationen über Kontakt­winkel im mikroskopischen Bereich. Bei Tröpfchen in annähernd molekularem Größen­bereich weisen die Randlinien der Tröpfchen (Kontakt­linien) derart hohe Krümmungen auf, dass durch molekulare Wechsel­wirkungen eine zusätzliche Kraft entsprechend einer zugehörigen Linien­spannung auftritt, die zu Verzerrungen der Kontakt­linie führen kann. Dadurch können sich im mikro­skopischen Bereich wesentliche Veränderungen von Kontakt­winkeln und Benetzungs­eigenschaften ergeben.

Ein Team um Paul Winkler von der Fakultät für Physik der Universität Wien und des Brookhaven National Laboratory, NY, U.S.A., konnte nun die Eigenschaften der Kontakt­linie und den Kontakt­winkel aus Messungen heterogener Nukleation an kugelförmigen Nano­partikeln direkt bestimmen. Die Methode beruht auf der Bestimmung des Durchmessers des Nano­partikels, sowie des Krümmungs­radius und des Volumens des flüssigen Clusters auf der Oberfläche des Nano­partikels. Die Ergebnisse sind nicht abhängig von einer speziellen Nukleations­theorie. Die geodätische Krümmung der Kontakt­linie wird mit Hilfe desselben Formalismus ermittelt, der auch in der allgemeinen Relativitäts­theorie eingesetzt wird. Die Ergebnisse erlauben nun eine quantitative Beschreibung der heterogenen Nukleation an Nanoteilchen.

Konkret haben die Forscher mittels des SANC-Mess­systems Nukleations­wahrscheinlich­keiten für heterogene Nukleation von Wasser­dampf auf der Oberfläche annähernd kugel­förmiger Silber­partikel gemessen. SANC (Size Analysing Nuclei Counter) ist ein an der Universität Wien entwickeltes prozess­gesteuertes Mess­system. Ausgehend von einem präzise kontrollierten nahezu dampf­gesättigten Aerosol wird eine räumlich homogene Dampf­übersättigung erzielt, wobei Sättigungs­verhältnis und Temperatur genau definiert sind. Die an den Aerosol­partikeln entstehenden Flüssigkeits­tröpfchen wachsen durch Kondensation des über­sättigten Dampfes an. Durchmesser und Anzahl der Tröpfchen werden zu mehreren Zeiten während des Kondensations­vorgangs berührungs­frei gemessen. Das SANC-System erlaubt unter anderem die Messung von Tröpfchen­wachstums­raten und heterogenen Nukleations­wahrscheinlich­keiten bei definierten thermo­dynamischen Bedingungen.

U. Wien / DE