Reibung gleitender Tropfen gemessen

Um einen festen Körper auf einer Fläche ins Rutschen zu bringen, muss die Haftreibung überwunden werden. Danach reicht eine etwas geringere Zugkraft aus, um den Körper in Bewegung zu halten, da die Gleitreibung geringer ist als die Haftreibung. Erstmals konnten Physiker nun diesen Zusammenhang auch für Tropfen auf einer festen Oberfläche im Detail analysieren. In der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten sie, dass sich auch die auf haftende und gleitende Tropfen wirkenden Kräfte ähnlich verhalten wie bei Festkörpern.

Zusammen mit seinen Kollegen konzipierte Rüdiger Berger vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz ein Experiment, um auch Tropfen mit einer messbaren Zugkraft über eine Fläche ziehen zu können. Dazu setzten die Forscher je einen Tropfen verschiedener Flüssigkeiten auf eine feste Unterlage. In diesen Tropfen steckten sie ein sehr dünnes, 35 Millimeter langes Kapillarröhrchen aus Borosilikatglas. Verschoben Berger und Kollegen nun die Unterlage, verformte sich der Tropfen langsam, blieb aber an dem Kapillarröhrchen haften. Diese Haftkraft war groß genug, um den Tropfen festzuhalten, sodass die Unterlage unter dem Tropfen hinweggleiten konnte. Über einen am Röhrchen reflektierten Laserstrahl konnte die Zugkraft – die der Biegung des Röhrchens entsprach – exakt bestimmt werden.

Zuerst ermittelten die Forscher die wirkenden Kräfte mit einem Tropfen einer ionischen Flüssigkeit auf einer fluorinierten Siliziumoberfläche. Bis zu einer Zugkraft von 50 Mikronewton verformte sich der Tropfen, blieb aber auf seiner Position haften. Dann bewegte er sich plötzlich und glitt über die Oberfläche. Die dabei wirkende Zugkraft war mit etwa 33 Mikronewton jedoch ein gutes Drittel geringer. Auch andere Flüssigkeiten und Oberflächen zeigten ein analoges Verhalten – unterteilt in einen statischen und kinetischen Bereich. Lediglich die konkreten Messwerte variierten in Abhängigkeit der jeweiligen Kombination von Tropfen und Unterlage.

Auch das Gleitverhalten eines Wassertropfens auf einer Gänsefeder analysierten die Wissenschaftler mit ihrer Methode. Die während der statischen Haftung wirkende Kraft war dabei sogar dreimal so groß wie die Zugkraft, um den einmal gleitenden Tropfen in Bewegung zu halten. In diesem Fall schwankte die Zugkraft, da die Tropfenbewegung eher ruckartig war. Dieses Ruckeln wurde durch einen sogenannten Haftgleiteffekt verursacht. „Doch dafür zeigten die Haftkräfte der Wassertropfen auf Gänsefedern keine Abhängigkeit von der Geschwindigkeit“, sagt Berger. In weiteren Versuchen will er mit seiner Arbeitsgruppe neben Gänsefedern noch weitere in der Natur vorkommende Oberflächen untersuchen.