Spieß umgedreht Gleitende Tropfen schaden Systemen eigentlich! Das muss nicht sein ...

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Forscher der TU Darmstadt entschlüsseln den bekannten Effekt, dass gleitende Tropfen Oberflächen elektrisch aufladen. Nun ist es möglich, das Phänomen gezielt zu untersuchen und sinnvoll zu nutzen.

Lässt sich aus Regentropfen Strom gewinnen? Denn ein seit rund 30 Jahren bekannter Effekt lässt das vermuten, wie Forscher von der TU Darmstadt sagen. Denn wenn ein Flüssigkeitstropfen über eine Oberfläche gleitet, laden sich beide elektrisch auf. Dabei entstehen verblüffend große elektrische Spannungen, die im Bereich von Kilovolt rangieren. Experimentell wird der Effekt zwar seit Jahren erforscht, doch um das Phänomen gezielt für Anwendungen zu nutzen, muss man es verstehen und wissenschaftlich exakt beschreiben. Genau das gelang nun einem Forschungsteam aus dem Fachgebiet für Nano- und Mikrofluidik am Fachbereich Maschinenbau. Die Forscher berichteten darüber im Fachjournal Physical Review Letters.

Gleitende Tropfen zerstören Computerchips

Der Effekt habe eine große technische Relevanz. Er spiele überall dort eine Rolle, wo Flüssigkeitstropfen auf nichtleitende Oberflächen träfen. Als Beispiele nennen die Ingenieure Pflanzenschutzmittel auf Blättern, selbstreinigende Oberflächen oder Sprüh- und Druckprozesse in der Industrie. In der Chipindustrie verursacht der Effekt aber Ausschuss. Denn bei der Reinigung von Halbleiterscheiben mit Wasser führen die großen Spannungen zu Schäden. Doch ohne ein theoretisches Verständnis des Effektes lassen sich experimentelle Daten nicht gut einordnen. Es sei schwer, belastbare Vorhersagen aus den Daten zu gewinnen. Das Team der TU Darmstadt wollte – zusammen mit Mainzer und Stuttgarter Forschern – deshalb verstehen, welche Mechanismen zu dem erstaunlichen Phänomen beitragen. Ihre nun vorliegende Theorie ermöglicht es, Experimente gezielt zu designen und ihren Ausgang vorherzusagen.

Diese Mechanismen sorgen für Spannung

Zunächst überlegten sich die Wissenschaftler, welche chemischen und physikalischen Mechanismen eine Rolle spielen könnten. Die Spannung entsteht, weil Moleküle an der Oberfläche aufgebrochen werden, wenn der Tropfen darüber rollt und die unterschiedlich geladenen Molekülteile anschließend voneinander getrennt werden. Die einen bleiben auf der Oberfläche, die anderen wandern in den Tropfen hinein. Wie das geschieht, wird von diversen Faktoren beeinflusst – etwa wie gut Ionen im Tropfen transportiert werden, oder wie die chemischen Reaktionen zwischen den Molekülen an der Oberfläche und denen im Tropfen ablaufen. Ein weiterer Faktor ist der Benetzungswinkel, der beschreibt, ob ein Tropfen eher wie ein Pfannkuchen auf einer Fläche liegt oder fast kugelförmig bleibt – also eine minimale Kontaktfläche bildet. Ein fast kugelförmiger Tropfen perlt außerdem leicht ab. Fachleute sagen auch, die Oberfläche ist hydrophob. Die verschiedenen Mechanismen fassten die Forscher in einem Computermodell zusammen. Das, so die Beschreibung, ist wie ein virtuelles Experiment. Damit konnten die Darmstädter herausfiltern, welche der möglichen Mechanismen die wichtigsten sind. Diese Erkenntnisse nutzten sie schließlich für ein mathematisches Modell, das den Effekt quantitativ beschreibt. Es lässt sich also aus Eigenschaften der Oberfläche und der darauf gleitenden Flüssigkeit berechnen, welche Spannungen entstehen und welche Ladungsmengen fließen.

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