Direkt zum Inhalt

Phasenübergänge: Halo aus Wasser umgibt gefrierende Tropfen

Gefrierender Tropfen mit Halo

Unterkühlte Wassertropfen verdampfen zum Teil, wenn sie gefrieren. Der Dampf schlägt sich als Halo aus winzigen Tröpfchen auf der Oberfläche rund um den Muttertropfen nieder, stellten Wissenschaftler von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich in ihren Experimenten fest. Dieser Halo gefriert ebenfalls binnen Sekunden und bringt weitere benachbarte Tropfen dazu zu kristallisieren. Wie das Team um den Physiker Stefan Jung entdeckte, hängt dieser Mechanismus der "Ansteckung" stark von der Wärmeleitfähigkeit der Unterlage ab, so dass sich auf diese Weise die Frostbildung auf einem Material beeinflussen lässt.

Gefrierender Tropfen mit Halo | Eine mikroskopische Aufnahme des Halos aus verdampften Wasser, der sich um ein gefrierendes Wassertröpfchen bildet.

Spontanes Gefrieren flüssigen Wassers auf kalten Oberflächen ist ein bedeutendes Problem, zum Beispiel auf den Tragflächen von Flugzeugen oder in technischen Anlagen. Wissenschaftler arbeiten an Oberflächen, die diese Eisbildung verhindern sollen, aber die Details des Gefrierprozesses sind bisher nur unvollständig bekannt. Die Schweizer Forscher untersuchten daher das Gefrieren etwa zwei Millimeter großer Tropfen aus unterkühltem destilliertem Wasser auf verschiedenen Unterlagen.

Unterkühltes Wasser gefriert in zwei Phasen. Zuerst bildet sich binnen Sekundenbruchteilen ein offenes Netzwerk aus Eiskristallen im Tropfen. Anschließend gefriert das Wasser in den Zwischenräumen. Die Forscher konnten zeigen, dass die Temperatur im Tropfen dank der frei gewordenen Wärme auf null Grad ansteigt und sogar eine geringe Menge Wasser verdampft, die sich in der Umgebung des Tropfens niederschlägt und einen ringförmigen Halo aus unterkühlten Tröpfchen bildet. Auch dieser gefriert dann vom Muttertropfen her. Trifft der Halo einen benachbarten, noch flüssigen Tropfen, leitet er dort ebenfalls das Gefrieren ein, sobald ein wachsender Eiskristall dessen Oberfläche berührt. Auf diese Weise kann ein einzelner Tropfen eine Gefrierkaskade über große Oberflächenbereiche auslösen.

© PNAS
Ansteckende Eisbildung
Sobald der gefrorene Halo mit einem noch flüssigen Tropfen in Kontakt kommt, gefriert dieser ebenfalls. So können sich Wassertropfen über räumliche Distanzen hinweg gegenseitig zum Kristallisieren bringen.

Jedoch hängt das Verhalten des Halos sehr stark von der Wärmeleitfähigkeit der Unterlage ab. Die Forscher experimentierten mit Kupfer, Titan und dem Kunststoff PMMA, die sehr ähnlich von Wasser benetzt werden, aber Wärme unterschiedlich leiten. Dabei stellten Jung und sein Team fest, dass der Halo nur auf schlecht leitenden Oberflächen zu Eis wird und benachbarte Tropfen ansteckt. Gut leitendes Metall dagegen lässt den Muttertropfen schneller gefrieren, so dass weniger Wasserdampf für den Halo zur Verfügung steht. Außerdem transportiert es die latente Wärme besser zu den winzigen Tropfen des Halos. Beides führt dazu, dass der Halo auf einer gut leitenden Unterlage verdunstet, bevor er gefrieren und benachbarte Tropfen zur Kristallisation animieren kann.

Lesermeinung

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Leserzuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Leserzuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmer sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Lesermeinungen können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

Partnerinhalte