Wann Fasern und Federn Tropfen abperlen lassen

Princeton (USA)/Paris (Frankreich) – Vogelfedern lassen Wassertropfen schnell und effizient abperlen. Doch dieser Schutzeffekt hat seine Grenzen. Um diese zu bestimmen, analysierten nun Forscher das Benetzungsverhalten von Tropfen auf feinen Fasern im Detail. Je nach Größe der Tropfen und Struktur der Fasern stößt ein Federkleid das Wasser mehr oder weniger gut ab. Die Studie, die in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde, bietet auch neue Ansätze für optimierte Haarsprays und funktionelle Mikrostrukturen von Materialien.

„Flexibilität, Geometrie der Fasern und die Tropfengröße sind die grundlegenden Parameter, die für das Verständnis der Benetzung notwendig sind“, schreiben Howard Stone von der Princeton University und seine Kollegen von der Université Paris. Besonders kleine Tropfen – wie etwa bei Nieselregen oder im Nebel – verteilen sich eher gleichmäßig über eine Faser, können schlechter abperlen und benetzen wasserabstoßende Fasern besser. Bei vorgebenener Flexibilität und Struktur der Fasern ändert sich das Benetzungsverhalten mit wachsender Tropfengröße. Bei einer mittleren Größe bilden sich fassförmige Tropfen zwischen zwei Fasern aus, erst größere können ein Faserpaar überbrücken und behalten eine runde Form. Diese größeren Tropfen perlen leichter ab und können Fasern am schlechtesten benetzen.

Für diese Ergebnisse beobachteten Stone und Kollegen das Verhalten von Silikonöl-Tropfen auf zwei Glasfasern, deren Abstände sie variierten. Nach diesem genau definierten Versuchsaufbau konnten sie das Verhalten von Tropfen verschiedener Größe auch an einer Gänsefeder bestätigen. Zentrales Resultat ihrer Studie ist ein komplexes Phasendiagramm, das angibt, wann Tropfen eine Faserstruktur komplett, teilweise oder überhaupt nicht benetzen können.

Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse können sowohl Verfahren für eine effizientere Benetzung mit Flüssigkeit als auch für einen wirksameren Schutz vor Nässe entwickelt werden. So schwebt den Forschern ein optimales Sprühsystem für Haarspray vor, das zu einer besseren Verteilung der festigenden Flüssigkeit in einer Frisur führen könnte. Auf der anderen Seite ließen sich wasserabstoßende Kunstfasern durch ihren filigranen Aufbau genau an die Größe der Tropfen anpassen.