Wie sich Tropfen gegenseitig antreiben

Je nach Beschaffenheit kann eine Oberfläche mit einem gleichmäßigen Flüssigkeitsfilm benetzt werden oder Wassertropfen einfach abperlen lassen. Zahlreiche hydrophile und hydrophobe Materialien wurden in den vergangenen Jahren für selbstreinigende Oberflächen oder sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme entwickelt. An der Stanford University analysierten Nathniel Cira und seine Kollegen nun das Wechselspiel von Tropfen untereinander. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, können sich Tropfen gegenseitig zu einer Bewegung antreiben und dabei völlig selbstorganisiert komplexe Muster bilden.

„Auf der Basis dieser fundamentalen Ergebnisse können nun autonome, fluide Systeme konstruiert werden“, sagt Koautor Manu Prakash. Für ihre Grundlagenversuche mischten die Wissenschaftler Wasser einmal mit mehr, einmal mit weniger Propylenglykol – einem organischen Stoff, der sowohl in Lebensmitteln und Kosmetika als auch in der Solarthermie eingesetzt wird. Einzelne Tropfen dieses Gemischs verteilte das Team auf einer Glasfläche, wobei diese je nach Mischungsverhältnis deutliche Unterschiede in ihren Eigenschaften zeigten, etwa bei der Oberflächenspannung. Mit Lebensmittelfarbe eingefärbt konnten Cira und Kollegen genau beobachten, wie sich diese Unterschiede auf die Bewegung der Tropfen auswirkten.

Wassertropfen mit identischen Anteilen an Propylenglykol verschmolzen binnen weniger Sekunden zu größeren Tropfen. Ganz anders verhielten sich benachbarte Tropfen mit unterschiedlichen Konzentrationen an Propylenglykol. Ohne sich zu vereinigen, trieb ein Tropfen mit 25 Prozent Propylenglykol einen weiteren Wassertropfen mit weniger Propylenglykol einige Millimeter vor sich her. Verantwortlich für die hier wirkenden Kräfte machen die Forscher sowohl die ungleiche Oberflächenspannung als auch den unterschiedlichen Dampfdruck der Tropfen: Bei diesem Druck befindet sich Dampf im thermodynamischen Gleichgewicht mit der entsprechenden flüssigen Phase.

Diese Versuche zeigen, dass sich unterschiedlich zusammengesetzte Tropfen ganz ohne externen Antrieb gegenseitig zu einer kalkulierbaren Bewegung bringen lassen. Diese Eigenschaft könnte für Laborchips genutzt werden, in denen Tropfen etwa Mikroorganismen kontrolliert transportieren könnten. Auch für filigrane Analyse- und Sensorsysteme, die mit winzigen Flüssigkeitsmengen auskommen, könnte die autonome Tropfenbewegung in Zukunft von Nutzen sein.