Laserstrahl stabilisiert Flüssigkeitsbrücke

Gleichgewicht zwischen Strahlungsdruck und Laplace-Druck hält Flüssigkeitskanal offen.

Bringt man einen Flüssigkeitstropfen in einen engen Spalt zwischen zwei parallelen Platten, so bildet sich eine Flüssigkeitsbrücke, die durch die Oberflächenspannung stabilisiert wird. Im Schwerefeld sind nur sehr kurze Brücken stabil. Wiederholt man das Experiment in der Schwerelosigkeit oder indem man die Flüssigkeitsbrücke mit einer anderen, sich nicht mit ihr mischenden Flüssigkeit umgibt, so kann man längere Brücken herstellen. Ist die Länge einer zylindrischen Brücke jedoch größer als ihr Umfang, so bricht die Brücke in einzelne Tröpfchen auf. Mit Laserlicht kann man diese Rayleigh-Plateau-Instabilität beträchtlich hinauszögern und lange Flüssigkeitsbrücken bilden. Forscher aus Frankreich und den USA haben eine plausible Erklärung dafür.

Etienne Brasselet von der Université Bordeaux und seine Mitarbeiter untersuchen schon seit einiger Zeit, wie Laserlicht auf die Grenzfläche zweier Flüssigkeiten wirkt, zwischen denen nur eine sehr schwache Oberflächenspannung herrscht. Dabei konnten sie unter anderem beobachten, dass der Lichtdruck eines Laserstrahls die Grenzfläche einbeulen und sogar einen Schacht in die untere Flüssigkeit graben kann, der mit der oberen Flüssigkeit aufgefüllt wird. An der dabei entstehenden Flüssigkeitssäule haben die Forscher den Einfluss des Laserlichts auf die Rayleigh-Plateau-Instabilität genauer studiert.

Dazu füllten sie eine Emulsion aus Wasser und verschiedenen Ölen in eine flache Schale. Die Emulsion war nahezu kritisch: Es bildeten sich zwei flüssige Phasen mit geringfügig verschiedenen Dichten und Brechungsindizes, wobei die dichtere und deshalb untenliegende Flüssigkeit den kleineren Brechungsindex hatte. Die dichtere Flüssigkeit bildete eine 0,2 mm dicke Schicht. Da die weniger dichte Flüssigkeit die Wand der Schale mit einem Film benetzte, umgab sie die dichtere Flüssigkeit von allen Seiten. Zwischen den beiden nahezu gleichen Flüssigkeiten herrschte nur eine sehr kleine Oberflächenspannung.

Mit einem Argon-Ionen-Laser strahlten die Forscher senkrecht von oben in die lichtdurchlässigen Flüssigkeitsschichten. In der unteren Flüssigkeit mit dem kleineren Brechungsindex hatten die Laserphotonen einen kleineren Impuls als in der oberen Flüssigkeit. Das liegt daran, dass bei gleicher Photonenenergie E der Photonenimpuls p von der Lichtgeschwindigkeit v im Medium und damit vom Brechungsindex n=c/v abhängt wie p=E/v=nE/c. Wegen der Impulsänderung wirkte der Strahlungsdruck nach unten auf die Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten. Da die Oberflächenspannung sehr klein war, beulte sich die Grenzfläche ein.

Für einen hinreichend intensiven Laserstrahl wurde die Beule zu einer Röhre, die die dichte Flüssigkeitsschicht durchquerte und den Film erreichte, mit dem die weniger dichte Flüssigkeit den Schalenboden benetzte. Damit war eine Flüssigkeitsbrücke entstanden. Wurde die Laserintensität wieder verringert, so trat eine Hysterese auf. Die Brücke blieb auch noch bei einer Intensität stabil, die geringer war, als die zur Brückenbildung nötige Intensität. Bei noch geringerer Laserintensität kam es schließlich zur Rayleigh-Plateau-Instabilität und die Brücke brach zusammen.

Für die beobachtete Stabilisierung der Flüssigkeitsbrücke machen die Forscher den Strahlungsdruck des Laserlichts verantwortlich. Der Laserstrahl breitete sich in der optisch dichteren Brücke wie in einer Glasfaser aus, indem er an ihren Wänden total reflektiert wurde. Dabei übte er auf die Bücke einen nach außen gerichteten Strahlungsdruck aus. Dieser Druck wirkte dem durch die Oberflächenspannung verursachten Laplace-Druck entgegen, der die Brücke einschnürte. Die Berechnungen zeigten: War der Strahlungsdruck größer als ein kritischer Druck, so konnte der dem Laplace-Druck das Gleichgewicht halten und die Flüssigkeitsbrücke stabilisieren.

Die Theorie der Forscher macht noch weitergehende Vorhersagen, z. B. dass der kritische Strahlungsdruck linear vom Durchmesser des Laserstrahls abhängt. Alle Vorhersagen wurden im Experiment qualitativ bestätigt, es zeigten sich jedoch quantitative Abweichungen. Das liegt vermutlich daran, dass die Forscher das Laserlicht in der Flüssigkeitsbrücke vereinfachend durch Lichtstrahlen beschrieben haben. Eine wellenoptische Rechnung sollte noch genauere Ergebnisse liefern.

Rainer Scharf

Weitere Infos

Originalveröffentlichung

• R. D. Schroll et al.: Bridging dielectric fluids by light: A ray optics approach. Eur. Phys. J. E (2008)
  http://dx.doi.org/10.1140/epje/i2008-10336-1
• Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne, Université Bordeaux:
  http://www.cpmoh.cnrs.fr/sommaire.php3
• Wendy Zhangs Homepage:
  http://jfi.uchicago.edu/~wzhang/
• Jens Eggers Homepage:
  http://www.maths.bris.ac.uk/~majge/
  

Weitere Literatur:

• Robert D. Schroll et al: Liquid Transport due to Light Scattering. Phys. Rev. Lett. 98, 133601 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.133601
  http://arxiv.org/abs/physics/0606073v2
  

• Alexis Casner and Jean-Pierre Delville: Laser-Induced Hydrodynamic Instability of Fluid Interfaces. Phys. Rev. Lett. 90, 144503 (2003)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.144503
  http://jfi.uchicago.edu/~wzhang/delville_prl.pdf (frei)
  

• Alexis Casner and Jean-Pierre Delville: Giant Deformations of a Liquid-Liquid Interface Induced by the Optical Radiation Pressure. Phys. Rev. Lett. 87, 054503 (2001)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.054503
  http://jfi.uchicago.edu/~wzhang/casner.pdf (frei!)
  

• Jean-Pierre Delville et al.: Optical Deformability of Fluid Interfaces. Preprint (2007)
  http://arxiv.org/abs/physics/0407008
  

• Jens Eggers: Nonlinear dynamics and breakup of free-surface flows. Rev. Mod. Phys. 69, 865 (1997)
  http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.69.865
  http://www.maths.bris.ac.uk/~majge/p865_1.pdf (frei!)
  
  
• R. Scharf: Flüssigkeitsfäden mit komplexem Verhalten. pro-physik (30.4.2008)
  http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do?laid=10444