Weiter durch Wellen
TU-Team erforscht Ausbreitung von Flüssigkeiten auf Oberflächen
16.07.2024
Wie verhält sich ein Flüssigkeitsfilm unter Vibration? Und was bedeutet das für die Oberflächenspannung? Dazu hat ein Team der TU Darmstadt geforscht und die Ergebnisse jetzt im renommierten Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.
Jede Flüssigkeit hat eine bestimmte Oberflächenspannung, das heißt, ihre Oberfläche bildet eine Art elastische Haut – ähnlich wie bei einem Luftballon, der eine runde Form annimmt. Dieser Effekt trägt unter anderem dazu bei, dass manche Insekten über Wasser laufen können und leichte Gegenstände darauf schwimmen. Die Spannung beeinflusst auch, wie ein Flüssigkeitsfilm sich auf einer Fläche verteilt: Flüssigkeiten mit einer geringeren Oberflächenspannung breiten sich stärker aus als solche mit höherer Spannung.
Wenn man die Wasseroberfläche durch Vibrationen stört – im Labor geschieht das mithilfe einer Art Lautsprecher – entstehen kleine Wellen auf der Flüssigkeitsoberfläche. Welche Auswirkungen das hat, haben nun Forschende der TU Darmstadt anhand von Experimenten und theoretischen Überlegungen entschlüsselt. Ihre Ergebnisse erschienen im angesehenen. Fachjournal „Physical Review Letters“
Grundlegende Erkenntnisse
Das Team um vom Professor Steffen Hardt am Fachbereich Maschinenbau entdeckte, dass ein vibrierter Flüssigkeitsfilm sich verhält, als hätte er eine niedrigere Oberflächenspannung als in statischem Zustand. Er breitet sich also durch eine Störung stärker aus. Fachgebiet Nano- und Mikrofluidik
„Wie stark dieser Effekt ist, lässt sich vorhersagen, wenn man die Energie kennt, die in den Wellen steckt“, erklärt Steffen Bisswanger, Doktorand am Fachgebiet. „Damit ist es uns gelungen, ein sehr kompliziertes System mit Hilfe von Konzepten zu beschreiben, die üblicherweise nur auf viel einfachere Systeme angewendet werden können“, fügt Henning Bonart, Postdoktorand am Fachgebiet, hinzu.
In der Forschung könnten diese grundlegenden Erkenntnisse helfen, statistische Modelle von Gas-Flüssigkeitsströmungen zu verbessern. Relevant ist dies beispielsweise in der Klimamodellierung: Die Menge an Luftblasen in unseren Ozeanen, in der von Wellen aufgewühlten oberen Schicht, ist abhängig von der Oberflächenspannung des Wassers. Die Reflexion von einfallendem Sonnenlicht oder die Erwärmung des Wassers hängen von der Statistik der Luftblasen ab, die von dem Effekt, den das Forschungsteam untersucht hat, beeinflusst werden könnte.
Hardt/mih