Tröpfchen auf dem Wasserbett

News: Tröpfchen auf dem Wasserbett

Unter normalen Umständen vereinigt sich ein Tröpfchen Wasser schnell mit seinesgleichen. Doch sind Tenside in ihm gelöst, dann ist es von einer dünnen Haut umgeben und kann zuweilen minutenlang auf der Wasseroberfläche liegen bleiben oder bewegt sich darüber hinweg, ohne sich um das restliche Nass zu scheren. Physiker haben nun den Effekt eingehend untersucht und festgestellt, welche Faktoren den Schwebezustand beeinflussen.

Thorsten Krome

Tropfen auf dem Wasserbett — © Yacine Amarouchene/Université Bordeaux (Ausschnitt)

Langsam bildet sich ein kleines Tröpfchen am Auslass des Wasserhahns. Es wächst und wächst, und schließlich ist sein Gewicht so groß, dass es sich löst und in das Spülbecken tropft. Für gewöhnlich vereinigt es sich sofort mit dem Wasser im Becken, wenn es dessen Oberfläche berührt. Mitunter trotzt es jedoch seinem eigenen Element und bleibt ruhig auf dem Nass liegen oder gleitet gar darüber wie eine Schlittschuhläufer über Eis – macht jedenfalls keine Anstalten, sich im Wasser zu lösen.

Offenbar waren auch Yacine Amarouchene und seine Kollegen von diesen widerspenstigen Tröpfchen fasziniert, denn die Wissenschaftler stellten das Experiment in ihrem Labor an der Université Bordeaux nach, um zu klären, welche Bedingungen für das unterschiedliche Verhalten verantwortlich sind. Der Versuchsaufbau war einfach: Aus einer Pipette, welche die Physiker in unterschiedlicher Höhe montieren konnten, ließen sie Wasser in eine Schüssel tropfen. Mal benutzten sie dazu reines Wasser, mal war darin eines von zwei Tensiden in unterschiedlicher Konzentration gelöst.

Denn die Tenside verleihen dem Tropfen ein größere Stabilität. Wie eine unsichtbare Haut verhindern sie, dass er allzu schnell seine Form verliert. Im Prinzip reicht hierzu eine einfache Seifenlauge – ein Versuch also, der zum Nachmachen animiert. Für die exakte Beobachtung war indes etwas mehr Technik gefragt, denn nicht jedes Tröpfchen verweilt minutenlang auf der Oberfläche. So bedienten sich die Physiker einer schnell aufzeichnenden Kamera samt Videorekorder.

Derart vorbereitet, hieß es nun: "Wasser marsch!" – nur in kleinen Mengen freilich, damit einzelne Tröpfchen in die Schale fielen. Wie erwartet, war den reinen Wassertröpfchen keine lange Lebenszeit beschieden, vielmehr lösten sie sich innerhalb von Millisekunden auf. Das Wasser, in dem jedoch Tenside gelöst waren, bildete Tröpfchen, die deutlich länger auf der Oberfläche verweilten. Mindestens hundertmal länger lebten diese Tröpfchen.

Nun ließen die Forscher das Wasser aus unterschiedlicher Höhe tropfen, und hierbei stellte sich schnell heraus, dass es eine kritische Höhe gibt, oberhalb derer kein Tropfen den Aufprall überlebt. Unterhalb dieses Grenzwertes tauchen die Tropfchen zwar in die Wasseroberfläche ein, prallen jedoch wie von einem Trampolin zurück und kommen schließlich obenauf zu liegen – ganz wie ein rohes Ei, das aus unterschiedlicher Höhe auf ein Kissen fällt. Einige Zentimeter machen ihm nichts aus, bei einigen Metern Fallhöhe ist die Sauerei jedoch groß. Wie beim Ei die Schale, so zerreißt auch beim Wassertröpfchen ab einer gewissen Fallhöhe die schützende Haut. Beim Tröpfchen betrug sie, abhängig von der Tensid-Konzentration, einige Millimeter.

Schließlich interessierten sich die Forscher auch für die Zeit, die ein sanft gelandeter Tropfen maximal auf der Oberfläche verbleibt. Hierfür spielte die Fallhöhe offenbar keine große Rolle. Zwar stieg mit einem tieferen Fall – selbst unterhalb der kritischen Höhe – auch das Risiko für die sofortige Auflösung, doch die mittlere Verweildauer der überlebenden Tröpfchen blieb im Wesentlichen gleich. Allein die Tensid-Konzentration und die Tröpfchengröße beeinflussen offenbar die Lebensdauer.

Die Forscher begründen dies folgendermaßen: Zwischen Tröpfchen und Oberfläche bildet sich ein Luftpolster. Und je länger die Luft zum Entweichen braucht, desto länger schwebt der Tropfen sicher über dem Wasser. Eine Tensid-Oberfläche setzt dem Luftzug nun einen größeren Widerstand entgegen, sodass das Polster länger erhalten bleibt.

All diese ganzen Tröpfchen-Spiele haben nun durchaus auch eine praktische Bedeutung. So sollen beispielsweise Farben beim Lackieren schnell auf ihrer Unterlage haften, sich die Tropfen also rasch miteinander verbinden. Bei bestimmten Emulsionen und Schäumen möchte man hingegen eine lange Haltbarkeit erreichen, hier sollen sich Tropfen und Bläschen möglichst nicht auflösen. Amarouchene und seine Mitstreiter hoffen deshalb, dass ihr Modell Chemikern und Ingenieuren hilft, den Effekt in gewünschter Weise zu beeinflussen.