Schräge Tropfen

Das Verhalten von Tropfen auf Oberflächen ist für eine Vielzahl von Anwendungen interessant. Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Reibung oder Form auf schrägen Oberflächen hängen jedoch von einer Vielzahl von Parametern ab – ihr Verhalten ist bis heute nicht komplett durch Theorien vorhersagbar. Forscher um Hans-Jürgen Butt vom MPI für Polymer­forschung haben sich dieses Problems nun angenommen und ein einfaches phäno­meno­lo­gisches Modell entwickelt, mit dem sie die Bahn eines Tropfens exakt vorher­sagen können.

Ob Tintenstrahl­drucker, Solarzelle, Brille oder Kamera: Die Wechsel­wirkung von Tropfen und Oberflächen spielt bei einer Vielzahl von Alltags­phänomenen eine Rolle. Bei einem Tintenstrahldrucker müssen Tropfen lange an Ort und Stelle verbleiben, um einen exakten Druckpunkt zu erzeugen. Bei Solarzellen jedoch sollten Tropfen möglichst schnell abfließen und dabei Schmutz mitnehmen – ebenso bei Brillen oder Kameralinsen, auf denen Tropfen die Sicht behindern.

Wie Tropfen mit Oberflächen wechselwirken und wie sie sich darauf verhalten, ist jedoch auf mikro­skopischer Ebene ein komplexer Prozess, der stark von den Eigenschaften der Oberfläche abhängt. Bis heute ist es unmöglich, die Abroll­geschwin­dig­keit und damit Reibung eines Tropfens auf einer Oberfläche vorherzusagen. Wasser­abweisende Oberflächen sorgen eher für kugelförmige Tropfen, die wenig Reibung mit der Oberfläche zeigen. Tropfen perlen schon bei kleinen Neigungs­winkeln ab. Wasser­liebende Oberflächen sorgen für flache Tropfen, die große Neigungs­winkel benötigen, um sich zu bewegen.

Bei der Vielzahl an Oberflächen und Flüssigkeiten, die in techno­logischen Anwendungen miteinander in Kontakt kommen können, haben sich Hans-Jürgen Butt und seine Kollegen gefragt, wie die Wechsel­wirkung mit der Oberfläche und somit auch die Reibung von Tropfen möglichst universell zu beschreiben ist. Hierfür haben sie verschiedene Tropfen­parameter auf inerten, also nicht chemisch reagierenden, und glatten Oberfläche gemessen. Welche Geschwindigkeit hat der fließende Tropfen? Wie groß ist die Breite bzw. Länge des Tropfens? Welche Winkel schließt die Flüssigkeits­oberfläche mit der festen Oberfläche ein – und das am vorderen und hinteren Ende des Tropfens?

Indem sie das Verhalten verschiedener Flüssigkeiten wie Wasser, Glycerin oder Silikonöl auf verschiedenen Oberflächen wie Silizium, Glas oder Teflon gemessen haben, konnten die Forscher einen Zusammenhang ermitteln. Dieser zeigt, dass sich die Reibung eines Flüssigkeits­tropfens auf einer Oberfläche allein durch einen dimensions­losen Parameter beschreiben lässt. Dieser in Kombination mit den Eigenschaften der Flüssigkeit, die durch ihre Viskosität beschrieben wird, kann die Abroll­geschwin­dig­keit von Tropfen vollständig beschreiben.

Ergänzt wurden die Untersuchungen durch numerische Simulation. Diese zeigen, dass die Reibung im Flüssigkeits­tropfen zu einem großen Anteil entlang der Tropfenkante zur Oberfläche stattfindet. Mit ihrer Arbeit hoffen die Wissenschaftler, in Zukunft das Verhalten von Tropfen auf Oberflächen genau vorhersagen zu können und somit auch vorhersagen zu können, welche Oberfläche für welche Anwendung am besten geeignet ist.

MPIP / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  X. Li et al.: Kinetic drop friction, Nat. Commun. 14, 4571 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-40289-8
• Physik der Grenzflächen (H.-J. Butt), Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz

Weitere Beiträge

• Elektrisierte Wassertropfen (Pro-physik.de Nachrichten, 20. April 2022)
• H.-J. Butt und R. Berger, Treffen sich drei Phasen..., Physik Journal, April 2021, S. 29 PDF
• H.-J. Butt, G. K. Auernhammer und D. Vollmer, Oberflächen mit Phobie, Physik Journal,  Februar 2015, S. 25 PDF