14.11.2003

Singulärer Bruch beim Abtropfen

Wie nabeln sich Wassertropfen ab, die in eine Umgebung aus hochviskosem Silikonöl fallen?

Singulärer Bruch beim Abtropfen

Wie nabeln sich Wassertropfen ab, die in eine Umgebung aus hochviskosem Silikonöl fallen?

West Lafayette (USA) - So nervtötend ein tropfender Wasserhahn sein kein, so offenbart doch jeder Tropfen einen Einblick in das Wechselspiel von Viskosität und Oberflächenspannung. Kurz vor jedem Abbruch dünnt sich die Flüssigkeit in kleinste, konische Spitzen aus und formt ganz unabhängig von Tropfengröße und Abtropfregion eine immer gleiche geometrische, mit einer quadratischen Näherung beschreibbare Struktur.

Amerikanische und britische Physiker kehrten das Verhältnis der Viskositäten nun radikal um und ließen Wasser (µ = 0,01 poise) durch eine Düse (4,7 mm Durchmesser) in hochviskoses Silikonöl (µ = 120 poise) tropfen (1 poise = 1 g cm -1 s -1). Zu ihrer Überraschung ändert sich dabei das Abbruchverhalten elementar. Die klassische, konische Zuspitzung gipfelt dabei vor der Abnabelung in einer quasi eindimensionalen, fadenförmigen Verbindung im Nanobereich.

"Im Unterschied zu früheren Tropfen-Studien ist hier die Universalität verletzt. Die endgültige Form der Bruchregion spiegelt sogar die Anfangs- und Randbedingungen wieder", schreiben Pankaj Doshi von der Purdue University und seine Kollegen der Chicago University und der University of Oxford. Wie sie in ihrem Artikel in der Fachzeitschrift "Science" berichten, kann bei einem extremen Verhältnis zwischen den Viskositäten beider Flüssigkeiten der Abschluss der Tropfenbildung gar verhindert werden. "Wenn die Viskosität der äußeren Flüssigkeit groß genug ist, tritt kein Abbruch auf, da der minimale Tropfenradius zuvor subatomare Dimensionen erreicht", so die Forscher.

Abb.: So sieht es aus, wenn Wasser in hochviskoses Silikonöl tropft. Teilbild (E) ist eine Nahaufnahme von (D). (Quelle: Itai Cohen/Sidney R. Nagel)

Doch durch eine Anpassung der Viskositäten beider Flüssigkeiten können auch Nanometer-feine Strukturen elegant gebildet werden. So bildet ein Tropfen (Radius= 1 cm, µ = 0,2 poise) in einer hochviskosen Flüssigkeit (µ = 20.000 poise) vor der Abnabelung eine zylindrische Verbindung mit rund 100 Nanometer Durchmesser. Dabei bremst das anfänglich schnelle Abtropftempo auf bis zu 3 µm/s ab.

Wird nun die tropfende Flüssigkeit mit einem fließfähigen Polymer versetzt, das sich unter Lichteinwirkung schnell vernetzt und aushärtet, könnten gezielt feste Nanostrukturen mit vorbestimmtem Durchmesser gebildet werden. Auch für filigrane Einkapselungen von Chemikalien oder medizinischen Wirkstoffen wären solche steuerbaren Tropfprozesse interessant. Parallel zu ihren Tropfenexperimenten entwickelten Doshi und Kollegen auch ein passendes theoretisches Modell für diesen im Extremfall in einer Singularität mündenden Abnabelungsprozess.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

Weitere Literatur:

  • J. Eggers, Rev. Mod. Phys. 69, 865 (1997).  
  • R. Almgren et al., Phys. Fluids 8, 1356 (1996).  
  • P. K. Notz et al., Phys. Fluids 13, 549

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