Wie Tröpfchen auf einer rutschigen Natur zusammenlaufen

Dec 28, 2023

Eine Oberfläche, die Flüssigkeiten wie Wasser, Blut oder Öl vollständig abstößt, ist ein langjähriges Ziel der Ingenieurs- und Materialwissenschaften. Ein solches Material eignet sich für ein breites Anwendungsspektrum, von der Wassergewinnung über die Lebensmittelverarbeitung bis hin zu biomedizinischen Technologien. Obwohl Forscher Fortschritte bei der Entwicklung von Materialien mit diesen Fähigkeiten gemacht haben, blieb unklar, wie sich Flüssigkeiten auf solchen Oberflächen genau verhalten. In einem aktuellen Artikel in Nature Communications beschreiben Forscher erstmals, wie Wassertröpfchen auf der Oberfläche einer ölimprägnierten Oberfläche zusammenwachsen.

Vor mehr als einem Jahrzehnt schlugen Forschungsgruppen in den Vereinigten Staaten und Frankreich unabhängig voneinander einen neuen Ansatz zur Entwicklung einer flüssigkeitsabweisenden Oberfläche vor, der von einem in der Natur vorkommenden Mechanismus inspiriert war. Ihre Idee bestand darin, mikroskopisch kleine Strukturen auf die Oberfläche eines Substrats zu bringen und das Ganze mit Öl zu überziehen. Die poröse Textur hält das Öl durch Kapillarkräfte an Ort und Stelle, und Wassertröpfchen oder andere Flüssigkeiten könnten von der defektfreien Oberfläche abrutschen, ohne festzukleben. „Es wird berichtet, dass diese viele vielversprechende Eigenschaften haben“, sagt Haobo Xu, jetzt Doktorand der Materialwissenschaften an der Cornell University und Erstautor der Studie. Aber gleichzeitig sei die Physik des Tröpfchenverhaltens auf diesen rutschigen Oberflächen noch nicht gründlich untersucht worden, sagt er. Das aktuelle Papier von Forschern der University of Michigan in Ann Arbor und der Ohio State University in Columbus erläutert, wie Tropfen genau zusammenlaufen. Sie fanden heraus, dass wenn sich Tröpfchen dicht beieinander bilden, sich aber nicht ganz berühren, sie dazwischen einen Benetzungsrücken aus Öl bilden. Dieser Grat ermöglicht eine Anziehung zwischen den Tröpfchen und zieht sie zusammen, um sie zu verschmelzen.

„Unsere Arbeit zeigt, wie zwei Tröpfchen zusammenwachsen“, sagt Yimin Zhou, ein Doktorand am Energy Transport Laboratory (ETL) in Michigan, das vom Maschinenbauingenieur Solomon Adera geleitet wird. Insbesondere habe die Gruppe herausgefunden, dass sich Tropfen auf der ölbeschichteten technischen Oberfläche langsamer verbinden als auf anderen hydrophoben Materialien, aber schneller abrutschen. „Die geschmierte Oberfläche kann die Kondensationsrate erhöhen“, fügt Zhou hinzu.

Diese Eigenschaft, sagt sie, mache das Material zu einem attraktiven Kandidaten für Anwendungen mit Kondensation oder Wassersammlung. In einem Dampfkraftwerk beispielsweise erzeugt kochendes Wasser Dampf, und der Dampf dreht eine Turbine, die Strom erzeugt. Der Dampf wird gesammelt, kondensiert und wieder verflüssigt. Wenn das neue Material im Kondensator verwendet würde, könnte die Anlage das verbrauchte Wasser schneller sammeln, was das System möglicherweise effizienter machen würde, sagt sie. Das Material könnte auch in Geräten verwendet werden, die Wasser aus der Luft gewinnen, „insbesondere in trockenen Gebieten ohne viel Trinkwasser“, sagt Zhou. Mit Öl angereicherte Materialien wären auch bei der Lebensmittelverarbeitung und -lagerung nützlich, da sie verhindern, dass Material – einschließlich Keime – an den Seiten eines Behälters haften bleibt.

Die ersten ölimprägnierten Oberflächen erschienen 2005 in einer Arbeit des französischen Physikers David Quéré. Im Jahr 2011 entwickelte eine Gruppe des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University ein Material, das davon inspiriert war, wie fleischfressende Kannenpflanzen ihre Beute fangen. Die Pflanze sondert eine glitschige Substanz ab, die die Falle bedeckt, und das unglückliche Insekt gleitet in die Verdauungssäfte am Fuß des Kruges. Sie nannten ihr Design SLIPS, für rutschige, mit Flüssigkeit durchtränkte poröse Oberflächen. Die andere Gruppe beschrieb ihr Design, das ebenfalls winzige Hohlräume auf der Oberfläche nutzte, um Öl aufzufangen. In beiden Fällen glitten die Tröpfchen mühelos ab, ohne sich zu verfangen.

Patricia Weisensee, Maschinenbauingenieurin an der Washington University in St. Louis, leitet eine Forschungsgruppe für Thermoflüssigkeiten, die die Materialien untersucht. Ihre Gruppe und andere haben gezeigt, wie Tröpfchen über eine mit Öl durchtränkte Oberfläche gleiten können. „Bei der Kondensation ziehen sich selbst mikroskopisch kleine Tröpfchen gegenseitig an und erzeugen eine sehr starke Bewegung auf der Oberfläche“, erklärt sie.

Die Forscher aus Michigan wollten mehr über den Prozess erfahren und stellten ihr Material her, indem sie zunächst eine Reihe winziger Siliziumsäulen – jede mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikrometern und einer Höhe von weniger als 30 Mikrometern – auf einem Substrat herstellten. Sie überzogen die Oberfläche mit einer dünnen Schicht Silikonöl. Dann platzierten sie zwei Tröpfchen mit einem Durchmesser von jeweils etwa einem Millimeter im Abstand von etwa 2,8 Millimetern und begannen mit der Filmaufnahme. Die Forscher beobachteten, dass das Öl am Kontaktpunkt um jedes Tröpfchen einen Benetzungsgrat bildete und zwischen den beiden Tröpfchen der Benetzungsgrat höher anstieg.

Der Benetzungsgrat – ein Merkmal, das auf nicht geschmierten hydrophoben Oberflächen nicht zu finden ist – erleichterte das Verhalten der Tröpfchen. Die Forscher beobachteten drei Stadien. Zuerst kam es zur Anziehung, als sich die Tröpfchen einander näherten. Zweitens lief das Öl in der Benetzungsrippe ab und drittens verschmolzen die beiden Tröpfchen vollständig. Der gesamte Vorgang war in etwas weniger als 30 Sekunden abgeschlossen.

Timing ist wichtig, sagt Weisensee. „Bei der Wärmeübertragung kommt es darauf an, zu verhindern, dass die kondensierende Flüssigkeit einen Film bildet, der als Wärmewiderstand dient“, sagt sie. Da Tröpfchen so leicht auf ölgetränkten Oberflächen gleiten, können sie laut Weisensee die Oberfläche leicht reinigen und schädliche Überschwemmungen verhindern. Das ist nicht nur für die Kondensation von Wasser wichtig, sondern auch für Flüssigkeiten wie Ethanol oder Hexan.

Zhou sagt, ETL-Forscher sehen andere Möglichkeiten, das Verhalten von Tröpfchen zu untersuchen, einschließlich der Frage, wie sich Tröpfchenverschmelzungen auf die Langzeiteigenschaften des Materials auswirken. „Wenn die Tröpfchen eine bestimmte Größe erreichen, fallen sie herunter, und wenn sie fallen, nehmen sie Öl mit“, sagt sie. Ohne ein gutes Verständnis dieser Entwässerung, die das Wasser verunreinigen oder die Effizienz des Materials verringern könnte, ist das Material nicht für industrielle Großanwendungen geeignet. Wenn sie verstehen, wie sich Koaleszenz auf das Öl auswirkt, „können wir charakterisieren, wie haltbar die Oberfläche ist“, sagt Zhou. „Wenn viel Öl verbraucht ist, wird die Oberfläche unbrauchbar.“