Tropfen in Pfannkuchenform

Treffen Wassertropfen auf eine hydrophobe Oberfläche, stoßen sie sich innerhalb von Millisekunden wieder ab. Dabei nehmen sie eine abgeflachte Form ein, vergleichbar mit einem Pfannkuchen. Dieser Prozess zeigte nun eine große Abhängigkeit von der Struktur der benetzten Oberfläche. Eine Arbeitsgruppe von der City University of Hong Kong klärte diese Zusammenhänge im Detail – sowohl mit Experimenten als auch mit theoretischen Modellen. Die Ergebnisse könnten zu speziell beschichteten Oberflächen führen, die etwa eine Vereisung von Tragflächen besser vermeiden sollen.

„Unsere Arbeit zeigt einen wichtigen Weg, um robustere, wasserabstoßende Flächen mit einer makroskopischen Strukturierung entwickeln zu können“, sagt Zuankai Wang. Dem Einfluss dieser Strukturierung ging Wang mit seinen Kollegen von der israelischen Ariel University mit mehreren Kupfer-Plättchen auf den Grund. Alle beschichteten sie mit einer superhydrophoben Silikonschicht. Über ein Ätzverfahren formten sie in diese Schichten Areale aus hunderten mikroskopisch kleinen Pyramiden, die mal mehr und mal weniger steil aufragten.

Aus einer Spritze tropften sie darauf aus einer Höhe von bis zu sechs Zentimetern Tropfen aus etwa 13 Mikrolitern Wasser auf die verschiedenen Oberflächen. Mit einer Hoch­geschwindigkeits­kamera konnten sie den Aufprall der Tropfen und das darauf folgende Abstoßen beobachten. Wegen der wasser­abstoßenden Eigenschaften gingen die Wassertropfen jedes Mal in eine abgeflachte Pfannkuchen­form über. Dabei wurde die kinetische Energie der Tropfen für die Verformung der eigenen Grenzflächen genutzt. Beim Abstoßen reduzierten die flachen Tropfen die Grenzfläch­enenergie wieder. Sie zogen sich etwas zusammen und schnellten dank der gewonnenen kinetischen Energie wieder in die Höhe.

Auf einer flachen Silikonschicht dauerte der Kontakt des Wassertropfens etwa 16 Millisekunden. Aber diese Zeitspanne verringerte sich deutlich bis auf vier Millisekunden, wenn die Oberfläche mit zahlreichen Mikro­pyramiden versehen war. Dabei spielte der Neigungs­winkel der Pyramiden­kanten eine wichtige Rolle: Je weniger steil die Pyramiden aufragten, desto kürzer währte der Kontakt zwischen Oberfläche und Tropfen. Diesen Zusammenhang untersuchten die Forscher jedoch nur für kleine Neigungswinkel zwischen einem und fünf Grad. Theoretisch ließ sich dieses unterschiedliche Verhalten mit variierenden Weber-Zahlen beschreiben, in die Dichte und Oberflächen­spannung des Wassers, Tropfenradius und Aufprallgeschwindigkeit eingingen.

Wang und Kollegen gelang mit ihrer Studie, das Abprallverhalten von Wassertropfen im Details zu beschreiben. Sie zeigten, dass eine Mikrostruktur einer hydrophoben Oberfläche wesentlich die Kontaktzeit des Tropfens beeinflusst. Auf der Basis ihrer Arbeit könnten nun wasser­abstoßende und mikrostrukturierte Oberflächen entwickelt werden, die etwas das Vereisungs­risiko von Flugzeug­trag­flächen weiter minimieren könnten. Aber auch weitere Techniken wie zur Entsalzung von Wasser oder die Entwicklung von Antifoul-Beschichtungen von Schiffsrümpfen könnten von wasser­abstoßenden Oberflächen profitieren, deren Mikrostruktur an den jeweiligen Zweck angepasst wurde.

Jan Oliver Löfken

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