Wenn Tropfen eintauchen

So homogen die Grenzfläche eines Tropfens auf den ersten Blick scheint, so turbulent ist sie auf mikroskopischer Ebene.

Utrecht (Niederlande) – Wenn Meereswellen brechen oder Tropfen in einen Topf platschen, gehen immer Grenzflächen zwischen flüssigen und gasförmigen Phasen zu Bruch. Lassen sich diese Vorgänge vordergründig mit der herrschenden Oberflächenspannung erklären, spielen im Detail hochfrequente Kapillarwellen mit sehr kleinen Amplituden nahe des Gas-Flüssigkeit-Übergangs eine zentrale Rolle. Niederländische Forscher konnten diese Fluktuationen nun bis in den unteren Mikrometerbereich mit einem konfokalen, optischen Mikroskop in Abhängigkeit von der Temperatur filmen. Diese Aufnahmen, die sie in der Fachzeitschrift "Science" beschreiben, könnten zu einem besseren Verständnis von Mischvorgängen in Natur und Industrie führen.

"Kapillarwellen führen zum spontanen Aufbrechen dünner Flüssigkeitsfilme und spielen damit eine Schlüsselrolle beim Eintauchen von Tropfen in eine Flüssigkeit", schreiben Henk N. W. Lekkerkerker und seine Kollegen vom Debye Institut der Universität Utrecht. Als Testflüssigkeit nutzten sie das Lösungsmittel Decalin, in das sie unterschiedliche Anteile an Polystyrol mischten. Winzige Kugeln (Durchmesser: 71 nm) aus Polymethylmethacrylat, die mit einer fluoreszierenden Substanz versetzt wurden, fügten sie als Kontrastmittel der Flüssigkeit bei. Da einfallendes Laserlicht diese homogen verteilten Kugeln zum Leuchten anregt, konnten die Forscher das exakte Verhalten der Flüssig-Gas-Grenzfläche inklusive der Kapillarwellen unter dem optischen Mikroskop verfolgen.

So sieht der zeitliche Verlauf zweier Tropfenkollsison mit einer Flüssigkeitsoberfläche aus - obere Reihe Tropfendurchmesser rund 16, 5 Mikrometer, untere Reihe rund 21,8 Mikrometer. Der Pfeil in der untere Sequenz markiert die Stelle, an der die Grenzschicht zusammenbricht. (Quelle: Science, Univ. Utrecht)

Wegen der hohen Viskosität der Flüssigkeit und der relativ geringen Oberflächenspannung erreichten die Wissenschaftler Kapillarwellen mit Amplituden im Mikrometerbereich und Geschwindigkeiten zwischen einem und zehn Mikrometer pro Sekunde. So konnten sie das Eintauchen eines Tropfens in insgesamt drei Phasen festhalten. Beim Auftreffen dünnt sich zuerst die Grenzschicht aus (Phase 1) bis er schließlich aufbricht (Phase 2). Abschließend fließt der Inhalt des Tropfens in das Flüssigkeitsreservoir aus (Phase 3).

Lässt sich das Ausdünnen der Grenzfläche noch über klassische Reynolds-Gleichungen beschreiben, zeigen die Aufnahmen, dass das spontane Zerbrechen des hauchdünnen Films durch die Bewegungen der Kapillarwellen eingeleitet wird. Mit zunehmender Temperatur wachsen die Amplituden der Kapillarwellen dramatisch an und führen dadurch eher zu einem Aufbrechen des Grenzfilms. Ihr Maximum erreichen diese Fluktuationen nahe dem Kritischen Punkt, an dem eine Substanz sowohl in einer flüssigen und einer gasförmigen Phase existieren kann. Nach dieser Schlüsselphase eines Mischvorgangs lässt sich das weitere Eintauchen der Tropfen wieder mit klassischer Hydrodynamik beschreiben.

So glatt und homogen die Grenzfläche eines Tropfens auf den ersten Blick scheint, so rau und turbulent ist sie auf mikroskopischer Ebene. Die dafür verantwortlichen Kapillarwellen können mit diesem neuen Experiment nun detailreicher und exakter untersucht werden. Neben physikalischen Erkenntnissen locken auch praktische Ergebnisse für Industrien, in denen Mischungen von Flüssigkeiten und Suspensionen eine große Rolle spielen, wie zum Beispiel in der Pharmaindustrie für die Entwicklung von neuen Darreichungsformen flüssiger oder dispergierter Wirkstoffe.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Dirk G.A.L. Aarts et al., Direct Visual Observation of Thermal Capillary Waves, Science 304, 847 (2004). 
• Kontakt:
  Homepage von Dirk Aarts:
  http://www.chem.uu.nl/fcc/www/peopleindex/dirk/dirk.htm 
• Debye Institut an der Universität Utrecht: 
  http://www.debye.uu.nl 
• Kapillarwellen: 
  http://klimt.iwr.uni-heidelberg.de/Projects/paper/doktor/node30.html 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Kapillarwellen finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Publikationen.

Weitere Literatur:

• J. Meunier, in Liquids and Interfaces, J. Charvolin, J. F. Joanny, J. Zinn-Justin, Eds. (North-Holland, New York, (1988), pp. 327–369. 
• J. M. Brader, R. Evans, M. Schmidt, H. Löwen, J. Phys.Cond. Matter 14, L1 (2002). 
• R. F. Probstein, Physicochemical Hydrodynamics (Wiley, Hoboken, NJ, 2003), section 10.2. 
• J. Eggers, J. R. Lister, H. A. Stone, J. Fluid Mech. 401, 293