Gesitteter Tanz auf der heißen Herdplatte

Wassertröpfchen bewegen sich gegen den Strich und gelegentlich sogar bergauf

Von Rainer Scharf

In der heimischen Küche kann man so manches physikalische Phänomen bewundern. So gleiten Wassertropfen auf einer heißen Herdplatte nahezu reibungslos herum, bis sie nach etwa einer halben Minute verdampfen. Warum es zu diesem nach Johann Gottlob Leidenfrost (1715 bis 1794) benannten Effekt kommt, ist seit langem geklärt. Ist die Herdplatte heißer als 200 Grad, bildet sich unter den Tropfen eine Zehntelmillimeter dicke Dampfschicht, die sie trägt und gegen die Hitze der Herdplatte abschirmt. Jetzt haben Forscher aus den Vereinigten Staaten und Australien herausgefunden, daß sich die Tropfen auf einer Metallplatte mit Rillenprofil sogar in eine bestimmte Richtung bewegen können, und zwar "gegen den Strich".

Die Metallplatte, die Heiner Linke von der University of Oregon und seine Kollegen für ihre Experimente benutzt haben, bestand aus Messing und hatte ein sägezahnförmiges Profil. Parallele, sanft ansteigende Flanken von 1,5 Millimeter Breite wechselten sich mit 0,3 Millimeter hohen, senkrecht abfallenden Kanten ab. Die Platte wies also eine Vorzugsrichtung auf. Sie fühlte sich glatt an, wenn man in Richtung der ansteigenden Sägezahnflanken über sie fuhr. In entgegengesetzter Richtung, also gegen den Strich, war sie rauh. Als die Forscher die waagerecht ausgerichtete Platte auf 460 Grad erhitzt hatten, ließen sie einzelne Wassertropfen darauffallen. Dabei erlebten sie eine Überraschung. Nachdem die Tropfen ein Dampfpolster entwickelt hatten, setzten sie sich in Bewegung und liefen mit wachsender Geschwindigkeit über das Sägezahnprofil dahin - allerdings nicht in die "glatte" Richtung, sondern gegen den Strich ("Physical Review Letters", Bd. 96, Nr. 154502).

Dasselbe Verhalten zeigten auch Tröpfchen von anderen Flüssigkeiten wie flüssigem Stickstoff, Azeton, Methanol, Tetrafluorethan, Ethanol und Hexadecan, deren Siedepunkte zwischen minus 196 und plus 151 Grad liegen. Entscheidend war jedoch, daß die Temperatur der Platte oberhalb der Leidenfrost-Temperatur der entsprechenden Flüssigkeit lag, bei der die Tröpfchen auf einem Dampfpolster zu schweben begannen.

Gab man den auf die Platte fallenden Tröpfchen eine horizontale Startgeschwindigkeit in die "glatte" Richtung der Platte, so kamen sie schnell zum Stillstand, danach liefen sie wieder beschleunigt gegen den Strich davon. Stets erreichten sie nach einigen Sekunden eine konstante Geschwindigkeit von mehreren Zentimetern pro Sekunde. Wurde die Messingplatte geneigt, so konnten die Tropfen sogar bergauf laufen. Um zu klären, warum sich die Tröpfchen bewegten, richteten die Forscher eine Videokamera auf die sägezahnförmige Kante der Platte.

Wie die Videoaufnahmen zeigten, krochen die Tropfen gewissermaßen über die vor ihnen liegenden Sägezähne hinweg. Die Tropfen setzten sich allerdings nur in Bewegung, wenn sie mindestens einen Sägezahn überdeckten. Welche Rolle das Dampfpolster bei der Bewegung der Tropfen spielte, machten die Forscher mit Hilfe von kleinen Glitzerteilchen sichtbar. Immer, wenn ein Tropfen eine senkrechte Klippe überwand und sein Vorderteil sich auf die nachfolgende abfallende Sägezahnflanke legte, gingen vom Zentrum des Dampfpolsters starke Strömungen aus. Dabei entwich ein Teil des Dampfes seitlich in eine der Rillen des Sägezahnprofils, also quer zur Bewegungsrichtung des Tropfens. Ein anderer Teil entwich nach vorn zwischen Tropfen und Sägezahnflanke, also in Bewegungsrichtung des Tropfens.

Für die Vorgänge geben die Forscher folgende Erklärung: Wenn ein Tropfen eine Klippe des Sägezahnprofils überwindet, ist seine Unterseite in der Mitte konkav gekrümmt, zum Rand hin jedoch konvex. Die Oberflächenspannung des Tropfens versucht, diese Delle auszuglätten. Dadurch ist der Druck in der Dampfschicht unter dem konkaven Teil der Tropfenunterseite größer als unter dem konvexen Teil. Es entsteht ein Überdruck in der Mitte des Dampfpolsters, der die beobachteten Dampfströmungen verursacht. Während der seitlich entweichende Dampf keinen merklichen Einfluß auf die Tropfenbewegung hat, übt die nach vorn gerichtete starke Dampfströmung eine Reibungskraft auf das Tröpfchen aus und reißt es mit. Die auf dieser Erklärung aufbauenden Vorhersagen der Tropfenbewegung stimmen gut mit den Meßergebnissen überein.

Die Forscher weisen allerdings darauf hin, daß zur Bewegung der Tropfen auch andere Ursachen beitragen können, etwa thermokapillare Flüssigkeitsströmungen in der Tropfenunterseite, die durch Temperaturunterschiede hervorgerufen werden. Was auch immer im einzelnen passiert - die Tropfen verhalten sich wie kleine Wärmemaschinen, die die Wärmeenergie direkt in Bewegung umsetzen. Die Forscher hoffen, daß man die thermokapillaren Strömungen dazu nutzen kann, auch unterhalb der Leidenfrost-Temperatur Tropfen in Bewegung zu setzen, etwa in flüssigkeitsabweisend beschichteten Kanälen mit Sägezahnprofil. Auf diese Weise ließe sich vielleicht Abwärme dazu verwenden, Flüssigkeiten zu pumpen.

Text: F.A.Z., 10.05.2006, Nr. 108 / Seite N2