Wasserabweisendes Material lässt Tropfen springen

Superhydrophobe Oberfläche befreit sich von den auf ihr kondensierten Tautröpfchen.

In Kondensatoren schlägt sich Wasserdampf auf einer kühlen Oberfläche in Form von winzigen Tröpfchen nieder und gibt dabei Wärmeenergie ab. Wird die kondensierte Flüssigkeit nicht von der Oberfläche wegtransportiert, so entstehen größere Tropfen und schließlich eine Flüssigkeitsschicht, die den Wärmetransport stark behindern. Dem kann man entgegenwirken, indem man die Fläche neigt, wodurch zumindest die millimetergroßen Tropfen ablaufen. Forscher von der Duke University haben jetzt ein Material entwickelt, das sich ohne Hilfe der Schwerkraft auch von viel kleineren Tröpfchen befreien kann.

Jonathan Boreyko und Chuan-Hua haben das stark wasserabweisende Material aus Kohlenstoffnanoröhren hergestellt, die auf einer Schicht aus Siliziummikrosäulen lagen und mit Hexadecanethiol überzogen worden waren. Wassertropfen, die auf einer solchen superhydophoben Oberfläche sitzen, versuchen die Auflagefläche so klein wie möglich zu machen, indem sie sich weit über sie hinaus wölben. Das hat zur Folge, dass der Kontaktwinkel zwischen der Unterlage und dem Fuß des Tropfens sehr groß ist und über 150 Grad betragen kann. Gelingt es dem Tropfen nicht, in die poröse Unterlage einzudringen und sich festzuhalten, so rollt er schon bei einem kleinen Neigungswinkel herab, wie man das von Wassertropfen auf Lotusblättern kennt.

Bei ihrem Experiment haben die Forscher die superhydrophobe Oberfläche jedoch horizontal gehalten und auf 5,5 °C gekühlt. Die Luftfeuchtigkeit im Labor kondensierte sogleich auf der Oberfläche als winzige Tröpfchen, wie mikroskopische Videoaufnahmen zeigten. Zunächst wuchsen die Tröpfchen und es kamen stets neue hinzu. Doch nach etwa einer Minute stellte sich ein Gleichgewicht ein: Der mittlere Tropfendurchmesser blieb konstant bei etwa 5 µm und auch der Bedeckungsgrad kam nicht über 40 % hinaus. Ein völlig anderes Bild ergab sich bei einer schwach wasserabweisenden Kontrollfläche. Hier waren nach 20 Minuten die Tropfen im Mittel mehr als 100 µm groß und der Bedeckungsgrad ging auf 70 % zu.

Auf der superhydrophoben Oberfläche kam es zu einem Gleichgewichtszustand, weil die großen Tropfen ohne äußere Einwirkung fortlaufend entfernt wurden, wie die Videoaufnahmen zeigten. Sobald zwei dieser Tropfen sich berührten und mit einander verschmolzen, sprangen sie von der Oberfläche weg. Dabei erreichten sie vertikale Geschwindigkeiten von mehr als 20 cm/s. Ein ähnliches Wegspringen von einzelnen Tropfen, die durch Verschmelzung zweier kleinerer Tröpfchen entstanden sind, kennt man auch aus der Biologie. Pilze nutzen diesen explosiven Vorgang, um ihre Sporen zu verbreiten.

Bei ihren Untersuchungen haben Boreyko und Chen herausgefunden, dass sich ein Teil der Oberflächenspannung, die bei der Verschmelzung zweier Tropfen auf einem superhydrophoben Material frei wurde, in kinetische Energie umwandelte. War mindestens einer der Tropfen größer als 10 µm, so reichte die Energie aus, den resultierenden Tropfen weg zu katapultieren. Fiel der Tropfen auf die Oberfläche zurück, so konnte er mit einem weiteren Tropfen verschmelzen und erneut wegspringen – und schließlich die Oberfläche verlassen. Auf diese Weise wurden große Tropfen sehr wirkungsvoll entfernt. Die nachwachsenden kleinen Tropfen sorgten für einen effektiven Wärmetransport zwischen Wasserdampf und superhydrophober Oberfläche. Das lässt sich möglichweise in Kondensatoren nutzen.

RAINER SCHARF

Weitere Info:

• Originalveröffentlichung:
  Jonathan B. Boreyko and Chuan-Hua Chen: Self-Propelled Dropwise Condensate on Superhydrophobic Surfaces. Physical Review Letters 103, 184501 (2009)
  dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.184501
  www.duke.edu/web/uphyl/pubs/Boreyko_09_PRL_jumping.pdf (frei)
• Gruppe von Chuan-Hua Chen an der Duke University:
  www.duke.edu/web/uphyl/index.html

Weitere Literatur:

• Jonathan B. Boreyko and Chuan-Hua Chen: Restoring Superhydrophobicity of Lotus Leaves with Vibration-Induced Dewetting. Physical Review Letters 103, 174502 (2009)
  dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.174502
  www.duke.edu/web/uphyl/pubs/Boreyko_09_PRL_antidew.pdf (frei)
• Shutao Wang and Lei Jiang: Definition of Superhydrophobic States. Adv. Mater. 19, 3423 (2007)
  dx.doi.org/10.1002/adma.200700934
• Anne Pringle et al.: The captured launch of a ballistospore. Mycologia 97, 866 (2005)
  dx.doi.org/10.3852/mycologia.97.4.866

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