Tropfenexperimente mit Suspensionen

Das Tropfverhalten lässt sich steuern

Ihr Ergebnis kann dazu beitragen, Arzneimittel genauer zu dosieren, das Druckbild von Tintendruckern zu verfeinern oder Spezialbeschichtungen exakter aufzusprühen: Als weltweit erste haben Forscher der Universität des Saarlandes und der Pariser Hochschule für angewandte Physik und Chemie herausgefunden, wie und warum sich in Suspensionen Tropfen ablösen – also in Flüssigkeiten wie Tinte, in denen Feststoffe schweben.

Prof. Dr. Christian Wagner mit der Apparatur, die bei den Tropfenexperimenten zum Einsatz kam. (Foto: Uni Saarland / Claudia Ehrlich)

Die Physiker Christian Wagner, Jorge Fiscina und Anke Lindner konnten zeigen, dass einzelne Feststoffteilchen den Tropfvorgang auslösen und beschleunigen. Werden Größe und Verteilung der Partikel in der Flüssigkeit geändert, lässt sich das Tropfverhalten beeinflussen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in den Europhysics Letters (doi:10.1209/0295-5075/110/64002; http://iopscience.iop.org/0295-5075/110/6/64002/).

Tintenstrahldrucker tropfen auf Knopfdruck: Aus einer kleinen Düse spritzen viele winzige Tropfen auf das Papier. Hierbei ist wichtig, dass sich die Tröpfchen exakt ablösen, sonst gehen sie daneben und das Druckbild wird unscharf. Wie sich bei Suspensionen wie Tinte, aber auch Blut oder Saft, also Flüssigkeiten, in denen Festkörperteilchen schweben, Tropfen ablösen und warum, war bislang noch nicht geklärt. Erstmals ist es Wissenschaftlern jetzt gelungen, diese Frage zu beantworten: „Die einzelnen Festkörperteilchen spielen beim Ablösen von Tropfen in Suspensionen eine tragende Rolle. Sie bringen die Ablösung in Gang und beschleunigen diese“, erklärt Prof. Christian Wagner.

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Die Forschergruppe des Experimentalphysikers von der Universität des Saarlandes hat gemeinsam mit dem Team von Prof. Anke Lindner von der Hochschule für angewandte Physik und Chemie (ESPCI), einer der Grande Écoles Frankreichs, das Tropfverhalten dieser komplex zusammengesetzten Flüssigkeiten untersucht.

Blick in ein Tropfenexperiment: Die Forscher konnten erstmals belegen, dass Feststoffteilchen in Suspensionen den Tropfvorgang auslösen und beschleunigen. Unten: Siliconöl ohne Festkörper-Partikel. Die fünf Aufnahmen der Hochgeschwindigkeitskamera zeigen oben - von links nach rechts - einen Tropfvorgang: Das fadenförmige Gebilde entsteht, wenn die Platten mit der Suspension auseinandergezogen werden. Gut zu erkennen sind die Festkörperteilchen, die wie Kügelchen darin schweben. Sie stören die Oberfläche der Flüssigkeit, beulen sie aus und behindern die Strömung der Flüssigkeit innen wie außen. Gleichzeitig beeinflussen sie die Oberflächenkrümmung, der kapillare Druck erhöht sich und der Ablöseprozess wird beschleunigt. Zum Vergleich zeigt das untere Bild das Experiment mit Siliconöl, das keine Festkörperteilchen enthält. (Foto: Arbeitsgruppe Christian Wagner)

An der Saar-Universität wurden hierzu Tropfenexperimente durchgeführt: Wagner und sein Team verdünnten eine Suspension und brachten diese zwischen zwei Platten. Anschließend zogen sie die Platten auseinander, beobachteten mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras sowie hochauflösenden Mikroskopobjektiven, was sich hierbei abspielte und werteten die Ergebnisse im Anschluss aus.

„Werden die Platten auseinandergezogen, bildet die Suspension dazwischen fadenförmige Gebilde vergleichbar einer Brücke. Die Festkörperteilchen schweben darin wie kleine Kügelchen“, erläutert Wagner. „Wir konnten nachweisen, dass einzelne Partikel dabei die Oberfläche der Flüssigkeit stören und regelrecht ausbeulen. Das Teilchen behindert die Strömung der Flüssigkeit im Inneren des Flüssigkeitsfadens ebenso wie an seiner Außenseite. Es beeinflusst aber gleichzeitig die Oberflächenkrümmung, der kapillare Druck erhöht sich, und der Ablöseprozess wird beschleunigt, denn die Oberflächenspannung strebt an, die Oberfläche zu verkleinern. Schließlich reißt der Tropfen ab“, erklärt er.

„Die Größe und Verteilung der Teilchen in der Suspension haben demzufolge großen Einfluss auf das Tropfverhalten. Indem diese Parameter geändert werden, lässt sich also auch das Tropfverhalten steuern“, erläutert der Experimentalphysiker. Die neuen Erkenntnisse können Anwendung finden in einer Vielzahl industrieller Verfahren, bei denen Suspensionen zum Einsatz kommen wie bei der Arzneimittelherstellung, bei Beschichtungen, Druckverfahren bis hin zur Kosmetik und Lebensmitteltechnik.

„Bei einfachen Flüssigkeiten war diese Frage in den vergangenen zwanzig Jahren bereits geklärt worden, bei komplexen Flüssigkeiten wie der Suspension hingegen waren die physikalischen Mechanismen bislang unbekannt“, sagt Prof. Wagner.

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Wagner,
E-Mail: c.wagner@mx.uni-saarland.de
http://agwagner.physik.uni-saarland.de/

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