Tropfen unter Spannung

Über Oberflächen rutschende Tropfen sind für viele Anwendungen relevant. Die Bewegung der Tropfen wird nicht zuletzt durch die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche bestimmt. Ein Team um Hans-Jürgen Butt am Max-Planck-Institut für Polymerforschung hat nun herausgefunden, dass auch elektrische Ladungen die Bewegung maßgeblich beeinflussen. Dies könnte Zukunft dabei helfen, Prozesse, bei denen Tropfen beteiligt sind, zu optimieren.

Vom präzisen Tintenstrahl­druck bis zur klaren Sicht durch Brillengläser – der Einfluss von Tropfen und ihrer Bewegung prägt zahlreiche Bereiche unseres täglichen Lebens. Während Tropfen beim Tintenstrahl­drucker präzise an Ort und Stelle verbleiben sollen, ist es bei Brillengläsern wünschenswert, dass sie sich zügig über die Oberfläche bewegen. Die Erforschung von Benetzungs­prozessen spielt daher eine entscheidende Rolle, um technologische Anwendungen weiter zu verbessern. Die Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und Oberflächen hängt nicht nur von den Eigenschaften der Oberfläche, sondern auch von den Flüssigkeits­eigenschaften ab. Dabei spielen elektrische Ladungen eine entscheidende Rolle bei den komplexen Benetzungs­prozessen.

„Wir haben in unseren Experimenten festgestellt, dass ein Tropfen, der über eine Oberfläche rutscht, eine Spur von elektrischen Ladungen hinter­lassen kann, die dann die nachfolgende Tropfen beein­flusst“, so Hans-Jürgen Butt vom MPI-P. Butt und sein Team haben sich die Auswirkungen dieser Ladungsspur auf die Tropfen­eigenschaften genauer angesehen. Rutscht ein Tropfen, wie in dem von ihnen durchgeführten Experiment, eine schräg gestellte Platte herunter, so bilden die Tropfen an ihrer Vorder- bzw. Rückseite unterschiedliche Winkel zur Plattenoberfläche aus. Die Differenz dieser beiden Winkel – die Kontakt­winkelhysterese – wird maßgeblich durch das Vorhan­densein einer Oberflächenladung verändert.

„Wir haben mit verschiedenen Konfi­gurationen gearbeitet: Einmal so, dass sich Platte und Tropfen aufladen können und einmal so, dass sich nur die Platte aufladen kann“, beschreibt Butt das Experiment. Sie konnten damit zum einen zeigen, dass Ladungen einen Einfluss auf die Kontaktwinkel und damit auch das Benetzungs­verhalten haben, zum anderen aber auch, dass der Effekt unabhängig davon auftritt, ob Tropfen und/oder Platte geladen sind. Die Untersuchungen der Forschenden tragen dazu bei, in Anwendungen Ladungen gezielt zur Mani­pulation des Tropfen­verhaltens einzusetzen bzw. in der biochemischen Analytik mittels Mikrofluid oder bei der Kondensation in Wärmetauschern. ungewünschte Effekte, die aufgrund von Ladungen auftreten, zu reduzieren.

MPI-P / JOL