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News: Flinke Tröpfchen

In der modernen Technik ist es häufig nötig, Flüssigkeitströpfchen mit hoher Präzision möglichst schnell an einen bestimmten Ort zu befördern. Die Physik hat dafür auch den richtigen Effekt parat, er gestattet es sogar, dass Tröpfchen entgegen der Schwerkraft eine Wand hochkrabbeln. Allerdings fiel die Bewegung in bisherigen Experimenten recht langsam aus - gerade mal einige Millimeter pro Sekunde -, da Kräfte auftraten, die bremsend wirkten. Nun ist es Physikern gelungen, die ehemals bremsenden Kräfte in Bewegungsrichtung wirken zu lassen und somit für zusätzliche Beschleunigung zu sorgen. So erreichten die Tröpfchen sogar Geschwindigkeiten von bis zu einem Meter pro Sekunde.
Fällt ein Tropfen auf eine Oberfläche, so sucht er sich zielsicher einen Ort auf der Fläche mit möglichst hoher Oberflächenenergie. Wie findet er diese Stelle? Im einfachsten Fall sorgt das "Gefälle" in der Energie der festen Unterlage – der so genannte Gradient – für eine Kraft, die in Richtung höherer Energien gerichtet ist, wohin sich das Tröpfchen dann auch bewegt.

Allerdings zerrt nicht nur die unterschiedliche Oberflächenenergie der Unterlage am Tröpfchen. Im allgemeinen ist auch die Oberflächenenergie des Tröpfchens unterschiedlich – zum Beispiel verursacht durch Temperaturunterschiede. Das bewirkt, dass die Oberflächenspannung an der Grenzfläche zwischen flüssig und fest an einem Ende des Tropfens höher als am anderen ist. Auch hier bewegt sich der Tropfen in die Richtung, in die der Gradient zeigt. Physiker nennen den Effekt Marangoni-Konvektion. Bereits früher konnte gezeigt werden, dass aufgrund ihrer Wirkung ein Flüssigkeitstopfen an einer Wand hochklettern kann – allerdings nur recht langsam.

Damit ist das Kräftespiel aber auch noch nicht beendet: Schließlich verändert sich die Form des Tropfens während der Bewegung aufgrund der unterschiedlichen Kräfte. So ist er auf seiner Stirnseite relativ dick, die "Flüssigkeitswand" erhebt sich nahezu senkrecht auf seiner Unterlage, am Hinterteil zieht er ein eher flaches Ende hinter sich her. Das bewirkt nun einen Druckunterschied im Tropfen, und damit eine Kraft die entgegen die Marangoni-Konvektion zeigt und somit den Tropfen bremst – der Kapillar-Effekt.

Susan Daniel und ihren Kollegen von der Lehigh University haben nun eine elegante Lösung des Problems gefunden. Sie stellten eine Oberfläche her, die in der Mitte heiß und wasserabweisend – hydrophob – und nach außen hin kälter und zunehmend wasseranziehend – hydrophil – war. Sie ließen Wasserdampf auf dieser Unterlage kondensieren. Aufgrund der unterschiedlichen Affinität des Bodens zu Wasser zeigte nun das Dicke Ende des Tropfens nach hinten, so dass ihn auch die kapillare Konvektion nach vorne beschleunigte. Ein Tröpfchen, das sich also auf der heißen Mitte bildete, bewegte sich sowohl aufgrund der Marangoni-Konvektion als auch durch die kapillare Konvektion getrieben in die gleiche Richtung. Durch die gemeinschaftlich Wirkung beider Effekt erreichte der Tropfen Spitzengeschwindigkeiten von bis zu einem Meter pro Sekunde. Außerdem saugte der Tropfen auf seinem Pfad über die Oberfläche andere kleinere Tropfen in sich auf, so dass wieder Platz für neue Kondensation entstand.

Das Phänomen könnte in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt werden. So würde es den Wirkungsgrad konventioneller Wärmetauscher stark verbessern, da kondensierter Wasserdampf, der isolierend wirkt, schnell von der wärmeleitenden Oberfläche verschwindet.

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