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Wissenschaftler entdecken unterschiedliche Dynamiken der Tröpfchenbildung auf Fasern

Nutzen der Instabilität Wissenschaftler entdecken unterschiedliche Dynamiken der Tröpfchenbildung auf Fasern

Anhand von Lackfilmen auf Glasfasern haben Wissenschaftler aufklären können, wie Flüssigkeit fließt oder rutscht.

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Zustand der geringsten Energie: Hier Tautropfen in einem Spinnennetz.

Quelle: dpa

Saarbrücken/Göttingen. Das Team von der Saar-Universität zeigte erstmalig gemeinsam mit Dr. Oliver Bäumchen vom Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation mit neuen Experimenten und mathematischen Modellen, wie sich ein Flüssigkeitsfilm auf einer Faser in Abhängigkeit von deren Beschichtung bewegt.

„Alle Systeme streben in den Zustand der geringsten Energie, und das ist in diesem Fall die Tropfenform“, erklärt Sabrina Haefner, Diplomphysikerin in der Arbeitsgruppe von Prof. Karin Jacobs an der Universität des Saarlandes. Diese Instabilität kann sehr nützlich sein, denn in sehr trockenen und abgelegenen Gebieten der Erde, beispielsweise in der chilenischen Atacama-Wüste, ist die Beschaffung von Trinkwasser für Menschen lebensnotwendig: Sie ernten das Wasser aus dem Nebel mit Hilfe von Fasernetzen.

Das funktioniert nach dem Modell aus der Natur: Auch Tautropfen bilden sich aus Luftfeuchtigkeit und bleiben haften an Gräsern oder Spinnennetzen. In industriellen Anwendungen ist es dagegen meist erforderlich, stabile und homogene Flüssigkeitsfilme auf Fasern zu erzeugen. Wie schafft man es, dass genau diese Tropfenbildung nicht auftritt? „Eine Rolle spielen die Oberflächenenergie der Flüssigkeit und ihre Viskosität, also ihre Zähigkeit, ebenso wie die Dicke des Flüssigkeitsfilms und der Durchmesser der Faser“, erklärt Jacobs.

Dass außerdem die Beschaffenheit der Faser einen wesentlichen Einfluss ausübt, hat nun das internationale Forscherteam herausgefunden. „Der Kontakt der Flüssigkeit mit der Oberfläche ist sogar ganz entscheidend“, erläutert Wissenschaftler Bäumchen vom Göttinger MPDS. „Rutscht die Flüssigkeit über die Faseroberfläche, so findet die Tropfenbildung schneller statt als im Falle des Fließens entlang der Faser.“ Getestet wurde dies mittels eines Flüssigkeitsfilms, den die Physiker sowohl auf unbeschichtete als auch auf teflonbeschichtete Glasfasern auftrugen: Auf den unbeschichteten Fasern bewegte sich die Flüssigkeit nur langsam, die Tröpfchenbildung dauerte länger.

Auf den beschichteten Fasern hingegen rutschte der Flüssigkeitsfilm und zerfiel schneller in Tröpfchen. „Zusammen mit mathematischen Modellen erlauben uns diese Experimente nun, das ‚Rutschen‘ eines Flüssigkeitsfilms zu quantifizieren und die Dynamik der Tröpfchenbildung exakt vorherzusagen“, erklärt Sabrina Haefner von der Saar-Universität. Das Wissenschaftlerteam ist sich nach eigenen Angaben einig: Diese Ergebnisse sind für die Entwicklung neuer Faserbeschichtungen von großer Bedeutung.

jes/eb

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