Universität des Saarlandes - 15.07.2015
Forscher enträtseln, wie sich bei Suspensionen Tropfen lösen: Das Tropfverhalten lässt sich steuern
Ihr Ergebnis kann dazu beitragen, Arzneimittel genauer zu dosieren, das Druckbild von Tintendruckern zu verfeinern oder Spezialbeschichtungen exakter aufzusprühen: Als weltweit erste haben Forscher der Universität des Saarlandes und der Pariser Hochschule für angewandte Physik und Chemie herausgefunden, wie und warum sich in Suspensionen Tropfen ablösen - also in Flüssigkeiten wie Tinte, in denen Feststoffe schweben. Die Physiker Christian Wagner, Jorge Fiscina und Anke Lindner konnten zeigen, dass einzelne Feststoff-Teilchen den Tropfvorgang auslösen und beschleunigen. Werden Größe und Verteilung der Partikel in der Flüssigkeit geändert, lässt sich das Tropfverhalten beeinflussen.
Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in den Europhysics Letters (doi:10.1209/0295-5075/110/64002; http://iopscience.iop.org/0295-5075/110/6/64002/).
Professor Dr. Christian Wagner mit der Apparatur, die bei den
Tropfen-Experimenten zum Einsatz kam.
Foto: © Universität des Saaarlandes / Claudia Ehrlich
Tintenstrahldrucker tropfen auf Knopfdruck: Aus einer kleinen Düse
spritzen viele winzige Tropfen auf das Papier. Hierbei ist wichtig, dass
sich die Tröpfchen exakt ablösen, sonst gehen sie daneben und das
Druckbild wird unscharf. Wie sich bei Suspensionen wie Tinte, aber auch
Blut oder Saft, also Flüssigkeiten, in denen Festkörper-Teilchen schweben,
Tropfen ablösen und warum, war bislang noch nicht geklärt. Erstmals ist es
Wissenschaftlern jetzt gelungen, diese Frage zu beantworten: "Die
einzelnen Festkörper-Teilchen spielen beim Ablösen von Tropfen in
Suspensionen eine tragende Rolle. Sie bringen die Ablösung in Gang und
beschleunigen diese", erklärt Professor Christian Wagner. Die
Forschergruppe des Experimentalphysikers von der Universität des
Saarlandes hat gemeinsam mit dem Team von Professor Anke Lindner von der
Hochschule für angewandte Physik und Chemie (ESPCI), einer der Grande
Écoles Frankreichs, das Tropfverhalten dieser komplex zusammengesetzten
Flüssigkeiten untersucht.
An der Saar-Universität wurden hierzu Tropfen-Experimente durchgeführt: Wagner und sein Team verdünnten eine Suspension und brachten diese zwischen zwei Platten. Anschließend zogen sie die Platten auseinander, beobachteten mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Kameras sowie hochauflösenden Mikroskop-Objektiven, was sich hierbei abspielte und werteten die Ergebnisse im Anschluss aus.
Blick in ein Tropfen-Experiment: Die Forscher konnten erstmals
belegen, dass Feststoff-Teilchen in Suspensionen den Tropfvorgang
auslösen und beschleunigen. Unten: Silikonöl ohne Festkörper-Partikel.
Die fünf Aufnahmen der Hochgeschwindigkeits-Kamera zeigen
oben - von links nach rechts - einen Tropfvorgang: Das fadenförmige
Gebilde entsteht, wenn die Platten mit der Suspension
auseinandergezogen werden. Gut zu erkennen sind die
Festkörper-Teilchen, die wie Kügelchen darin schweben. Sie stören die
Oberfläche der Flüssigkeit, beulen sie aus und behindern die Strömung
der Flüssigkeit innen wie außen. Gleichzeitig beeinflussen sie die
Oberflächenkrümmung, der kapillare Druck erhöht sich und der
Ablöseprozess wird beschleunigt. Zum Vergleich zeigt das untere Bild
das Experiment mit Silikonöl, das keine Festkörper-Teilchen enthält.
Foto: © Universität des Saarlandes / Arbeitsgruppe Christian Wagner
"Werden die Platten auseinandergezogen, bildet die Suspension dazwischen fadenförmige Gebilde vergleichbar einer Brücke. Die Festkörper-Teilchen schweben darin wie kleine Kügelchen", erläutert Wagner. "Wir konnten nachweisen, dass einzelne Partikel dabei die Oberfläche der Flüssigkeit stören und regelrecht ausbeulen. Das Teilchen behindert die Strömung der Flüssigkeit im Inneren des Flüssigkeitsfadens ebenso wie an seiner Außenseite. Es beeinflusst aber gleichzeitig die Oberflächenkrümmung, der kapillare Druck erhöht sich, und der Ablöseprozess wird beschleunigt, denn die Oberflächenspannung strebt an, die Oberfläche zu verkleinern. Schließlich reißt der Tropfen ab", erklärt er.
"Die Größe und Verteilung der Teilchen in der Suspension haben demzufolge großen Einfluss auf das Tropfverhalten. Indem diese Parameter geändert werden, lässt sich also auch das Tropfverhalten steuern", erläutert der Experimentalphysiker. Die neuen Erkenntnisse können Anwendung finden in einer Vielzahl industrieller Verfahren, bei denen Suspensionen zum Einsatz kommen wie bei der Arzneimittelherstellung, bei Beschichtungen, Druckverfahren bis hin zur Kosmetik und Lebensmitteltechnik.
"Bei einfachen Flüssigkeiten war diese Frage in den vergangenen zwanzig Jahren bereits geklärt worden, bei komplexen Flüssigkeiten wie der Suspension hingegen waren die physikalischen Mechanismen bislang unbekannt", sagt Professor Wagner.
Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung unter:
http://idw-online.de/de/institution8
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Quelle:
Informationsdienst Wissenschaft e. V. - idw - Pressemitteilung
Universität des Saarlandes, Claudia Ehrlich, 15.07.2015
WWW: http://idw-online.de
E-Mail: service@idw-online.de
veröffentlicht im Schattenblick zum 17. Juli 2015
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