Trampolin für Wassertropfen

Wassertropfen perlen schnell von mikrostrukturierten Oberflächen mit einer Silikonbeschichtung ab. Diese wasserabstoßenden – superhydrophoben – Eigenschaften werden zur Selbstreinigung von Flächen genutzt und können auch die Vereisung von Flugzeugtragflächen verzögern. Physiker wollten diesen Effekt etwas genauer untersuchen und entdeckten ein verblüffendes Phänomen: Im Vakuum konnten sich Wassertropfen wie von selbst von einer Oberfläche abstoßen und danach wie auf einem Trampolin immer höher hüpfen. Eine Erklärung für dieses Verhalten präsentieren sie in der Fachzeitschrift „Nature“.

Wassertropfen im Vakuum

„Dieses Trampolinverhalten der Tropfen beruht auf einem kombinierten Effekt von Verdampfung und Abstoßung von der Oberfläche“, berichtet die Arbeitsgruppe um Dimos Poulikakos von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich. Für ihre Versuche benetzten die Forscher eine mit zahlreichen Mikrosäulen strukturierte Oberfläche aus Silizium mit Wasser, die zusätzlich mit Fluorosilan beschichtet war. Unter Normaldruck waren die etwa einen Millimeter großen Tropfen wegen der stark wasserabstoßenden Eigenschaft der Oberfläche nahezu kugelförmig. Darauf verringerten die Forscher den Umgebungsdruck und erhielten ein schwaches Vakuum von 0,01 bar. Bei diesen Bedingungen schnellten die Tropfen plötzlich in die Höhe und hüpften auf der Oberfläche wie auf einem Trampolin.

Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera verfolgten Poulikakos und Kollegen dieses Phänomen. Die Aufnahmen zeigten, dass die Tropfen innerhalb einer fünftel Sekunde mehrmals von der Oberfläche abprallten und jedes Mal einige Zehntel Millimeter höher hüpften. Diesen Effekt erklärten sie mit einer partiellen Verdampfung des Tropfens – bevorzugt auf dessen Unterseite. So entstand ein leichter Überdruck, der im Vakuum ausreichte, um die ohnehin schwachen Haftkräfte und die Schwerkraft zu überwinden. Die Folge: Spontan schnellte der Tropfen in die Höhe. Fiel er wieder auf die Fläche zurück, wiederholte sich der Effekt, so dass der Tropfen immer höher hüpfen konnte.

Temperaturmessungen der Tropfen offenbarten noch einen zusätzlichen, auf den ersten Blick widersprüchlichen Effekt: Die Tropfen kühlten während des partiellen Verdampfens in anderen Bereichen so stark ab, dass sie sogar teilweise gefroren. Die Ursache: Für das Verdampfen auf der Unterseite wurde dem restlichen Tropfen so viel Wärme entzogen, dass die Temperatur lokal begrenzt sogar unter null Grad fallen konnte. Dieses Gefrieren währte allerdings nur einige Millisekunden.

Diese Ergebnisse vertiefen das Verständnis von Wassertropfen auf superhydrophoben Oberflächen. Obwohl die Wassertropfen nur im Vakuum spontan hüpfen und partiell gefrieren können, kann sich Poulikakos durchaus einen Nutzen über den Erkenntnisgewinn hinaus vorstellen. Er sieht eine mögliche Anwendung in noch besseren Beschichtungen, um eine Vereisung etwa von Tragflächen künftig vermeiden zu können.