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Materialwissenschaften: Später gefrieren auf rauen Oberflächen

Bis zum letzten Tropfen
Eisbildung auf Oberflächen ist nicht nur für Autofahrer an einem kalten Wintermorgen eine Gefahr, sondern verursacht in Kühlanlagen, an Flugzeugen oder auch an Überlandleitungen schwer wiegende Probleme. Abhilfe können speziell beschichtete Oberflächen schaffen: So genannte superhydrophobe, also stark Wasser abstoßende Schichten auf Oberflächen verzögern die Bildung von Frost. In einer neuen Studie zeigen chinesische Wissenschaftler, dass diese Eigenschaft mit dem seltsamen Verhalten frisch kondensierter Flüssigkeitstropfen auf dieser Oberfläche zusammenhängt – bevor sie gefrieren, ändern sie zyklisch ihre Form.

Raureif bildet sich in zwei Phasen: Zuerst kondensiert Wasser auf der kalten Oberfläche zu kleinen Tropfen, die langsam wachsen. Erst dann gefrieren sie. Wann sie jedoch erstarren, hängt von der Oberfläche ab und von dem, was im Zeitraum zwischen Kondensation und Gefrieren geschieht. Das untersuchten Yanlin Song und sein Team von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften anhand zweier auf minus 10 Grad Celsius gekühlter Kunststofffilme mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Eine dieser Schichten aus isotaktischem Polypropylen war dabei mikroskopisch glatt, während die andere dank eines besonderen Herstellungsverfahrens mikroskopisch rau war, wodurch sie superhydrophob wird. Die chinesischen Forscher stellten nun fest, dass ein sich bildender Tropfen auf der glatten Kunststoffoberfläche im Durchschnitt nach 85 Sekunden gefroren war, während der gleiche Vorgang auf der superhydrophoben Oberfläche 515 Sekunden dauerte. In diesem Zeitraum, stellten die Autoren der Veröffentlichung fest, verhalten sich die Tropfen je nach Oberfläche völlig unterschiedlich.

Die Forscher beobachteten die wachsenden Tropfen unter dem Mikroskop und zusätzlich mit einem Gerät, das den Kontaktwinkel zwischen Oberfläche und Tropfen misst. Dieser Kontaktwinkel ändert sich mit der Benetzbarkeit: Hat die Oberfläche eine hohe Affinität zu Wasser, sind die Tropfen flach und ausgebreitet, und der Kontaktwinkel ist niedrig. Auf wasserabweisenden Oberflächen sind die Tropfen höher, und der Kontaktwinkel beträgt etwa 90 Grad. Auf superhydrophoben Oberflächen sind die Tropfen jedoch nahezu kugelförmig und der Kontaktwinkel liegt bei etwa 135 Grad oder mehr.

Bevor die Tropfen auf der Oberfläche gefrieren, wachsen sie, indem sie mit benachbarten Tropfen verschmelzen. Dabei ändert sich der Kontaktwinkel auf der glatten Oberfläche kontinuierlich hin zu etwas kleineren Werten, während er auf der superhydrophoben Oberfläche stark um einen konstanten Mittelwert herum schwankt – die Tropfen verändern beim Wachsen zyklisch ihre Form. Die Autoren sind der Meinung, dass dieser erstaunliche Effekt für den verzögerten Erstarrungszeitpunkt verantwortlich ist, indem er das Verhalten der Dreiphasengrenzlinie verändert.

An dieser Linie, an der sich Flüssigkeit, Oberfläche und Luft treffen, beginnt der Tropfen zu erstarren, weil hier am meisten Energie an die Umgebung abgegeben wird. Auf einer glatten Oberfläche bildet sie einen geschlossenen Kreis, der sich gleichmäßig erweitert, während sie auf der superhydrophoben Oberfläche diskontinuierlich ist und sich durch den Formwechsel des Tropfens dauernd verändert, was die Energieabgabe nach Ansicht der Autoren weniger effizient macht. (lf)

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  • Quellen
Song, Y. et al.: Super-hydrophobic film retards frost formation. In: Soft Matter 10.1039/c0sm00024h, 2010.

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