Wie Wassertropfen abprallen

Je nach Struktur der Oberfläche bleiben die Tropfen kürzer oder länger im direkten Kontakt – Neue Studie könnte besseren Schutz vor Vereisung von Tragflächen ermöglichen
 Ein Wassertropfen in Pfannkuchenform schnellt nach dem Aufprall auf eine hydrophobe Oberfläche wieder nach oben. (Illustration)
Ein Wassertropfen in Pfannkuchenform schnellt nach dem Aufprall auf eine hydrophobe Oberfläche wieder nach oben. (Illustration)
© Yahua Liu et al. City University of Hong Kong
Hong Kong (China)/Ariel (Israel) - Trifft ein Regentropfen auf Steinboden, zerplatzt er in viele Spritzer. Prallt er jedoch auf das Blatt der Lotuspflanze, wird er flach und nimmt eine Form wie ein Pfannkuchen an. Dieses Verhalten auf wasserabstoßenden Oberflächen nahmen nun Physiker aus Hong Kong und Israel näher unter die Lupe. In der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ berichten sie, dass eine wasserabstoßende Oberfläche durch eine eingeprägte Mikrostruktur sogar noch besser Tropfen abprallen lassen. Diese Ergebnisse könnten zu speziell beschichteten Oberflächen führen, die etwa eine Vereisung von Tragflächen effizienter vermeiden sollen.

Dem Einfluss der Mikrostruktur ging Zuankai Wang von der City University of Hong Kong mit seinen Kollegen von der israelischen Ariel University auf den Grund. Sie beschichteten mehrere Kupfer-Plättchen mit einer stark wasserabstoßenden Silikon-Schicht, Physiker nennen diesen Effekt superhydrophob. Über ein Ätzverfahren formten sie in diese Schichten Areale aus hunderten mikroskopisch kleinen Pyramiden, die mal mehr und mal weniger steil aufragten. Abhängig von der Steilheit veränderte sich das Abtropfverhalten des Wassers. „Unsere Arbeit einen wichtigen Weg auf, um robustere, wasserabstoßende Flächen mit einer makroskopischen Strukturierung entwickeln zu können“, sagt Wang.

Aus einer Spritze tropften die Wissenschaftler aus einer Höhe von bis zu sechs Zentimetern Tropfen immer gleich große Tropfen auf die verschiedenen Oberflächen. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera konnten sie den Aufprall der Tropfen und das darauf folgende Abprallen beobachten. Wegen der wasserabstoßenden Eigenschaften gingen die Wassertropfen jedes Mal in eine abgeflachte Pfannkuchenform über. Dabei wurde die Bewegungsenergie der Tropfen für die Verformung genutzt. Beim Abprallen wurde der Prozess umgekehrt. Die Tropfen zogen sich wieder etwas zusammen und schnellten dank der dadurch gewonnenen Bewegungsenergie wieder in die Höhe.

Auf einer flachen Silikonschicht währte der Kontakt des Wassertropfens etwa 16 Millisekunden. Aber diese Zeitspanne verringerte sich deutlich bis auf vier Millisekunden, wenn die Oberfläche mit zahlreichen Mikropyramiden versehen war. Dabei spielte der Neigungswinkel der Pyramidenkanten eine wichtige Rolle: Je weniger steil die Pyramiden aufragten, desto kürzer währte der Kontakt zwischen Oberfläche und Tropfen. Diesen Zusammenhang untersuchten die Forscher jedoch nur für kleine Winkel zwischen einem und fünf Grad vom Lot her gemessen.

So gelang es Wang und Kollegen, das Abprallverhalten von Wassertropfen im Details zu beschreiben. Sie zeigten, dass eine Mikrostruktur einer superhydrophobe Oberfläche noch weiter optimieren kann. Auf der Basis ihrer Arbeit könnten nun neue Oberflächen entwickelt werden, die etwas das Vereisungsrisiko von Flugzeugtragflächen weiter minimieren könnten. Aber auch zur effizienten Entsalzung von Wasser oder für die Entwicklung von Antifouling-Beschichtungen von Schiffsrümpfen könnte diese Studie neue Impulse liefern.

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