Warum Tropfen sich erst ausbreiten – und dann wieder zusammenziehen

Es gibt Flüssigkeits­tropfen, die sich erst auf Ober­flächen ausbreiten und dann von allein wieder zusammen­ziehen – das hat ein Forschungs­team um Nate Cira von der Cornell University in den USA und Stefan Karpitschka vom MPI für Dynamik und Selbst­organi­sation jetzt heraus­ge­funden. Dieser Bumerang-Effekt hängt dabei von der Zusammen­setzung der Tröpfchen ab. Da diese beim Zusammen­ziehen – anders als beim herkömm­lichen Trocknen – so gut wie keine Spuren hinter­lassen, birgt das Phänomen neue Möglich­keiten für die Reinigung und Beseitigung von Partikeln auf empfind­lichen Ober­flächen, wie beispiels­weise Mikrochips.

Denn eine mechanische Reinigung von empfind­lichen Ober­flächen wie elektro­nischen Bauteilen ist oft nicht möglich. Verun­reinigungen, die bei der Produktion entstehen, müssen jedoch entfernt werden, um die technische Funktion der Komponenten zu gewähr­leisten. Konven­tionelle Methoden, die auf Verdampfung beruhen, lassen dabei jedoch oft kleine Partikel auf der Oberfläche zurück. Durch ihre Arbeit an der Dynamik von Flüssig­keits­gemischen hat das Team einen neuen Ansatz zur Lösung des Problems entwickelt. Die Wissen­schaftler nutzten dazu den Marangoni-Effekt, das physi­ka­lische Prinzip hinter dem Bumerang-Verhalten.

Weinliebhabern ist vielleicht schon aufge­fallen, dass sich Flüssig­keits­gemische ausdehnen oder zusammen­ziehen und so Muster bilden. Nach dem Einschenken des Weins bildet das Gemisch aus Alkohol und Wasser verschiedene Muster auf der Oberfläche des Glases. Der Grund dafür sind die unter­schied­lichen Ober­flächen­spannungen und Verdunstungs­geschwin­dig­keiten von Wasser und Alkohol.

Dieses Prinzip ist auch die Grundlage für den beobachteten Bumerang-Effekt, hier jedoch mit einer Mischung aus den drei Flüssig­keiten, Wasser, Alkohol und Propylen­glykol. Letzteres findet auch in der Industrie breite Anwendung, unter anderem in Farben, Lacken und Kosmetika. „Je nach Zusammen­setzung breitet sich ein Tropfen aus den drei Komponenten entweder aus oder zieht sich zusammen, wenn man ihn auf eine Glas­ober­fläche gibt“, erläutert Cira. „Bei bestimmten Mischungs­ver­hält­nissen beobachten wir jedoch zuerst eine Ausbreitung und einige Sekunden später eine Kontraktion.“ Neben der Zusammen­setzung der Tröpfchen spielen darüber hinaus auch die Luft­feuchtig­keit und die Temperatur eine Rolle, wie die Forscher fest­stellten.

Doch wie kommt es zu diesem ungewöhn­lichen Verhalten des Gemisches? „Wir beobachten konkur­rie­rende Marangoni-Effekte: Der Alkohol am Rand des Tropfens verdampft zuerst, die Oberflächen­spannung ändert sich und erzeugt eine Kraft nach außen“, erklärt Karpitschka. „Die Folge: Der Tropfen breitet sich aus. Sobald der Alkohol am Rand verschwunden ist, kehrt sich der Effekt um und der Tropfen zieht sich wieder zusammen. Da gleich­zeitig nun auch das Wasser vom Rand verdunstet, nimmt der Tropfen dabei rück­stands­frei alle löslichen Partikel auf seinem Weg mit.“

Auf der Grundlage dieser Entdeckung könnte somit auch eine völlig neue Methode zur Reinigung empfind­licher Ober­flächen und Materialien entwickelt werden. Verun­reini­gungen und Partikel, die sich bei der Fertigung ablagern, könnten so rück­stands­los und mit weniger Lösungs­mitteln entfernt werden als bei herkömm­lichen Verfahren.

MPI-DS / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. A. Baumgartner et al.: Marangoni spreading and contracting three-component droplets on completely wetting surfaces, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 119, e2120432119 (2022); DOI: 10.1073/pnas.2120432119
• Meinig School of Biomedical Engineering, Cornell University, Ithaca, USA
• Grenzflächen komplexer Fluide (S. Karpitschka), Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen