Nur ein Rinnsal fließt aus dem Wasserhahn, wird zunehmend dünner, bis es schließlich aufreißt und seinen Weg in kleinen Tröpfchen fortsetzt. Andernorts fällt ein Stein in einen See, peitscht ihn auf und verleiht ihm für einen kurzen Augenblick eine wässrige Krone. Viele Beispiele lassen sich finden, in denen sich das kühle Nass lieber zu winzigen Portionen zusammenballt als sich im großen Ganzen fortzubewegen.

Dahinter steckt natürlich Physik: Ab einem bestimmten Punkt ist es für das Wasser – energietechnisch betrachtet – einfach günstiger, sich zu kleinen Tropfen zusammenzufinden. Treibende Kraft ist dabei die Oberflächenspannung, die stets so klein wie möglich zu halten ist. Das gilt natürlich nicht nur für Wasser, sondern auch für beliebige andere Flüssigkeiten.

Und, wie sich Ende des 19. Jahrhundert herausstellte, auch für verschiedene granulare Medien wie Sand oder andere feinkörnigen Materialien. Die Oberflächenspannung ließ sich allerdings nicht verantwortlich machen, denn eigentlich sollte sich diese zwischen den kleinen Teilchen gar nicht erst aufbauen. Stattdessen zogen Wissenschaftler inelastische Stöße zwischen den Sandpartikeln als Ursache heran, welche diese letztlich zusammenklumpen ließen. Schließlich schienen hier sonst keine weiteren Kräfte am Werk zu sein.

Heinrich Jaeger und Kollegen von der University of Chicago gaben sich damit nicht zufrieden und gingen der Sache nun erneut auf den Grund. Ein Strom aus winzigen Glaskugeln und anderen granularen Materialien stürzte in ihrem Experiment für etwa eine Sekunde im freien Fall, dabei am Ende mehr und mehr in Tröpfchen zerfallend, aus einem Trichter in die Tiefe – immerhin rund 2,5 Meter.

Denn während ein Wasserstrahl nur etwas mehr als dreimal so lang sein muss wie sein Durchmesser dick, damit er sich aufteilt, muss man bei einem Granulatstrahl wegen der fehlenden Oberflächenspannung mindestens einen halben Meter einplanen, berichten die Forscher. Synchron ließen sie eine 80 000 US-Dollar teure Hochgeschwindigkeitskamera zu Boden fallen, um sich später ein genaues Bild von den Vorgängen machen zu können.

Außerdem bestimmten die Wissenschaftler mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Körnern. Dabei stießen sie auf schwache, nur wenige Nanometer weit reichende Kohäsionskräfte, die man hier bisher nicht vermutet hatte. Je nach Rauhigkeit der Sandkornoberfläche, dem Feuchtigkeitsgehalt und natürlich abhängig vom Material variierte deren Stärke minimal. Als Ursprung vermuten Jaeger und sein Team eine Kombination von Van-der-Waals-Wechselwirkungen und Kapillarkräften.

Aber waren Sie auch für das Tropfenphänomen verantwortlich? Die Wissenschaftler änderten die beteiligten Kohäsionskräfte, indem sie die Körnchen beispielsweise mit Siliziumdioxid beschichteten. Dann schauten sie, wie sich dies auf das Klumpungsverhalten auswirkte und stellten fest, dass Kohäsion und Choreografie des frei fallenden Teilchenstrahls tatsächlich zusammenhängen. Unterdrückten Jaeger und Co diese Art der Wechselwirkung zwischen den Körnchen, rieselten diese sogar von oben bis unten einheitlich zu Boden.

Um ganz sicher zu gehen, untersuchte das Team auch noch schnell andere eventuell in Frage kommende Faktoren. Zum Beispiel ließen sie die Körnchen bei verschiedenen Luftdrücken fallen, was aber keinen direkten Einfluss zeigte. Und auch die alte Konkurrenzhypothese stellten sie auf den Prüfstand: Statt Glas- rieselten nun Kupferkörnchen hinab – diese sollten auf Grund geringerer Stoßkoeffizienten noch besser zusammenhalten. Doch das Gegenteil war der Fall.

Allein die Kohäsionskräfte würden im fallenden Granulatstrahl zu einer effektiven Oberflächenspannung führen, schließen die Wissenschaftler – wenn auch rund 100 000-mal schwächer als die beim Wasser. Genügend Zeit und geringe Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den einzelnen Teilchen seien deshalb eine Grundvoraussetzung, um tropfengleiche Strukturen entstehen zu lassen. Und das mag auch erklären, warum uns dieser Fall so gut wie nie im Alltag auffällt.