27-04-2006

Zielstrebige Tröpfchen

Der Leidenfrost-Effekt - bekannt von Wassertröpfchen auf einer heißen Herdplatte - kann zu gerichteter Bewegung führen.

Auch altbekannte physikalische Phänomene haben ihren Reiz und sind bisweilen für Überraschungen gut. Wer hat nicht schon einmal die Wassertröpfchen bestaunt, die auf einer heißen Herdplatte nahezu reibungslos und überraschend lange herum gleiten. Wenn die Temperatur der Platte 200 Grad Celsius überschreitet, bildet sich an der Unterseite der Tröpfchen eine etwa 0,1 mm dicke Dampfschicht, die die Tröpfchen gegen die heiße Herdplatte abschirmt und dadurch ihre Lebensdauer auf etwa 1 Minute erhöht. Dieser Leidenfrost-Effekt kann auch gerichtete Bewegungen hervorrufen, wie Forscher aus den USA und Australien jetzt beobachtet haben.

Heiner Linke von der University of Oregon und seine Kollegen haben untersucht, wie sich Wassertröpfchen auf einer heißen, horizontal ausgerichteten Messingplatte mit sägezahnförmiger Oberfläche bewegen. Das Profil der Platte bestand aus parallelen 1,5 mm breiten, leicht geneigten Streifen, die sich mit 0,3 mm hohen, senkrechten Streifen abwechselten. Damit hatte die Platte eine Vorzugsrichtung ähnlicher einer Ratsche. Eine Ratsche lässt sich leicht in die Richtung bewegen, in der die geneigten Flanken der Sägezähne aufsteigen, während sie in die entgegengesetzte Richtung sperrt. Als die Forscher nun einige Wassertropfen auf ihre 460 °C heiße Platte fallen ließen, erlebten sie eine Überraschung.

Nachdem die Tröpfchen ein Dampfpolster entwickelt hatten, setzten sie sich in Bewegung und liefen mit wachsender Geschwindigkeit über das Sägezahnprofil dahin – allerdings nicht in die „leichte“ Ratschenrichtung sondern ihr entgegen. Dasselbe Verhalten zeigten auch Tröpfchen von anderen Flüssigkeiten wie flüssigem Stickstoff, Azeton, Methanol, Tetraflurethan, Ethanol und Hexadecan, deren Siedepunkte zwischen –196 °C und +151 °C liegen. Wichtig war nur, dass die Platte eine Temperatur hatte, die oberhalb der Leidenfrost-Temperatur der entsprechenden Flüssigkeit lag, bei der die Tröpfchen auf einem Dampfpolster zu schweben beginnen.

Gab man den auf die Platte fallenden Tröpfchen eine horizontale Startgeschwindigkeit entgegengesetzt zu beobachteten Bewegungsrichtung, so kamen sie schnell zum Stillstand, um dann wieder beschleunigt in die „richtige“ Richtung davonzulaufen. In jedem Fall erreichten die Tröpfchen nach einigen Sekunden eine konstante Geschwindigkeit von mehreren Zentimetern pro Sekunde. Wurde die Messingplatte geneigt, so konnten die Tropfen sogar bergauf laufen. Doch warum bewegten sich die Tröpfchen überhaupt? Um das herauszufinden, beobachteten die Forscher das muntere Treiben auf der Messingplatte mit Hilfe einer Videokamera, die auf die sägezahnförmige Kante der Platte gerichtet war.

Wie die Videoaufnahmen zeigten, setzten sich die Tropfen nur dann in Bewegung, wenn sie eine Mindestgröße hatten und etwa eine Periode des Sägezahnprofils überdeckten. Sie krochen gewissermaßen über die vor ihnen liegenden Hindernisse hinweg. Welche Rolle das Dampfpolster dabei spielte, machten die Forscher mithilfe 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 Bewegungssichtung des Tropfens. Ein anderer Teil entwich nach vorn zwischen Tropfen und Sägezahnflanke, also in Bewegungsrichtung des Tropfens.

Für dieses Geschehen haben die Forscher folgende Erklärung. Wenn ein Tropfen eine Klippe des Sägezahnprofils überwindet, ist seine Unterseite in der Mitte konkav gekrümmt, zu ihrem Rand hin jedoch konvex. Die Oberflächenspannung des Tropfens führt dazu, dass der Druck in der Dampfschicht unter dem konkaven Teil der Tropfenunterseite größer ist 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 Reibungskräfte auf das Tröpfchen aus und reißt es mit. Die auf dieser Erklärung aufbauenden quantitativen Vorhersagen der Tropfenbewegung stimmen gut mit den Messungen überein.

Die Forscher weisen allerdings darauf hin, dass zur Bewegung der Tropfen auch noch andere Ursachen beitragen können, wie z. B. die thermokapillaren Flüssigkeitsströmungen in der Tropfenunterseite oder das Blasensieden im Tropfen, das von den Kanten des Sägezahnprofils ausgelöst wird und dem Tropfen einen merklichen Schub erteilt. In jedem Fall verhalten sich die Tropfen wie kleine Wärmemaschinen, die die Wärmeenergie direkt in Bewegung umsetzen. Die Forscher hoffen, dass man die thermokapillaren Strömungen ausnutzen kann, um auch unterhalb der Leidenfrost-Temperatur Tropfen auf flüssigkeitsabweisend beschichteten Kanälen mit Sägezahnprofil in Bewegung zu setzen. Auf diese Weise ließe sich vielleicht Abwärme dazu verwenden, Flüssigkeiten zu pumpen.

Rainer Scharf

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