Wasser und Strom: Ladungseffekte können fließende Tropfen beeinflussen
Über Oberflächen rutschende Tropfen sind für viele Anwendungen relevant. Die Bewegung der Tropfen wird nicht zuletzt durch die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche bestimmt. Ein Team um Hans-Jürgen Butt am Max-Planck-Institut für Polymerforschung hat nun herausgefunden, dass auch elektrische Ladungen die Bewegung maßgeblich beeinflussen. Dies könnte Zukunft dabei helfen, Prozesse, bei denen Tropfen beteiligt sind, zu optimieren.
Vom präzisen Tintenstrahldruck bis zur klaren Sicht durch Brillengläser – der Einfluss von Tropfen und ihrer Bewegung prägt zahlreiche Bereiche unseres täglichen Lebens. Während Tropfen beim Tintenstrahldrucker präzise an Ort und Stelle verbleiben sollen, ist es bei Brillengläsern wünschenswert, dass sie sich zügig über die Oberfläche bewegen. Die Erforschung von Benetzungsprozessen spielt daher eine entscheidende Rolle, um technologische Anwendungen weiter zu verbessern.
Die Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und Oberflächen hängt nicht nur von den Eigenschaften der Oberfläche, sondern auch von den Flüssigkeitseigenschaften ab. In einem am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) initiierten Forschungsprojekt wurde in den letzten Jahren jedoch eine andere Dimension in den Fokus gerückt: Elektrische Ladungen. Diese spielen eine entscheidende Rolle bei den komplexen Benetzungsprozessen.
„Wir haben in unseren Experimenten festgestellt, dass ein Tropfen, der über eine Oberfläche rutscht, eine Spur von elektrischen Ladungen hinterlassen kann, die dann die nachfolgende Tropfen beeinflusst“, so Hans-Jürgen Butt, Direktor des Arbeitskreises „Physik an Grenzflächen“ am MPI-P.
In einer neuen, nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ erschienenen Artikel haben sich Butt und Kolleg*innen die Auswirkungen dieser Ladungsspur auf die Tropfeneigenschaften genauer angesehen. Rutscht ein Tropfen, wie in dem von ihnen durchgeführten Experiment, eine schräg gestellte Platte herunter, so bilden die Tropfen an ihrer Vorder- bzw. Rückseite unterschiedliche Winkel zur Plattenoberfläche aus. Die Differenz dieser beiden Winkel – die sogenannte „Kontaktwinkelhysterese“ – wird maßgeblich durch das Vorhandensein einer Oberflächenladung verändert.
„Wir haben mit verschiedenen Konfigurationen gearbeitet: Einmal so, dass sich Platte und Tropfen aufladen können und einmal so, dass sich nur die Platte aufladen kann“, beschreibt Butt das Experiment. Sie konnten damit zum einen zeigen, dass Ladungen einen Einfluss auf die Kontaktwinkel und damit auch das Benetzungsverhalten haben, zum anderen aber auch, dass der Effekt unabhängig davon auftritt, ob Tropfen und/oder Platte geladen sind.
Die Untersuchungen der Forschenden tragen dazu bei, in Anwendungen Ladungen gezielt zur Manipulation des Tropfenverhaltens einzusetzen bzw. in der biochemischen Analytik mittels Mikrofluid oder bei der Kondensation in Wärmetauschern. ungewünschte Effekte, die aufgrund von Ladungen auftreten, zu reduzieren.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Hans-Jürgen Butt
butt@mpip-mainz.mpg.de
Originalpublikation:
Xiaomei Li, Aaron D. Ratschow, Steffen Hardt, and Hans-Jürgen Butt
Surface Charge Deposition by Moving Drops Reduces Contact Angles
Phys. Rev. Lett. 131, 228201
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.228201
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