Wissenschaftler der EPFL haben herausgefunden, dass ein Tröpfchen minutenlang oder sogar unbegrenzt von einer vibrierenden festen Oberfläche abprallen kann. Diese scheinbar einfache Beobachtung hat wichtige Auswirkungen auf die Physik und die Chemie.
Wenn Sie Flüssigkeit in eine heisse Pfanne giessen, ist Ihnen vielleicht aufgefallen, dass die Tröpfchen blubbern und über die brutzelnde Oberfläche gleiten, anstatt flach zu werden und sie sofort zu benetzen. Das passiert, weil die Hitze in der Pfanne beginnt, die Unterseite der Tröpfchen zu kochen und dabei Dampf erzeugt, der wie ein isolierendes Kissen wirkt, auf dem sie kurzzeitig tanzen können.
Wissenschaftler haben eine Version dieses Phänomens bei Raumtemperatur geschaffen, den sogenannten Leidenfrost-Effekt, indem sie die heisse Oberfläche durch ein schnell schwingendes Flüssigkeitsbad ersetzten. In diesen Experimenten erzeugten die Vibrationen einen dünnen Luftfilm, auf dem die Flüssigkeitströpfchen ständig hüpfen und schweben konnten.
Nun haben Wissenschaftler der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL experimentell nachgewiesen, dass ein Öltröpfchen bei Raumtemperatur bis zu fünf Minuten lang von einer festen, vibrierenden Oberfläche abprallen kann.
"Das Interessante hierbei ist, dass frühere Beobachtungen von ständig hüpfenden Tröpfchen durch die sich verändernde Oberfläche des vibrierenden Flüssigkeitsbads bestimmt wurden. In unserem Fall ist die Oberfläche jedoch fest, so dass die Verformungen des Tropfens zu seinem einzigartigen Verhalten führen", erklärt John Kolinski, Leiter des Labors für Mechanik flexibler Grenzflächen. "Unsere Arbeit liefert neue Erkenntnisse in der Physik und zeigt das Potenzial für die präzise Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen in der Luft auf."
Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Beobachtungen sowie ein Modell zu ihrer Erklärung und Vorhersage in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.
Wie beim Tischtennis und Basketball
Im Rahmen ihrer Experimente setzte das Team einen 1,6 Millimeter grossen Tropfen Siliziumöl auf eine feste Oberfläche frei, unter der eine Tischplatte kontrollierte Vibrationen erzeugte. Für Lebo Molefe, Hauptautorin und Doktorandin, ist das so, als würde man einen Ball von einem Tischtennisschläger abprallen lassen. "Wenn wir den Ball durch einen Tropfen Flüssigkeit ersetzen, stellen wir fest, dass er über einer dünnen Luftschicht auf einem vibrierenden "Schläger", der in unserem Fall aus Glimmer, einem besonderen, atomar glatten Material, besteht, immerwährend abprallen kann", erläutert sie.
Bei bestimmten Frequenzen sah es so aus, als würde der Tropfen wie ein Basketball auf und ab hüpfen.
...während andere das Tröpfchen schnell auf und ab bewegten, ohne das dünne Luftkissen über dem Glimmer zu verlassen.
Wie Lebo Molefe erklärt, hängt der Übergang zwischen diesen beiden Zuständen damit zusammen, wie sich die Oberfläche des Tröpfchens wölbt und verformt, wenn sie mit der starren Oberfläche darunter interagiert. "Um von der Oberfläche abzuprallen, braucht der Tropfen genug Zeit, um zunächst flach zu werden, so dass die Oberflächenspannung ihn dazu bringt, Energie wie eine Spiralfeder zu speichern. Bei hohen Schwingungsfrequenzen ist dafür nicht genug Zeit, so dass der Tropfen nahe der Oberfläche stecken zu bleiben scheint."
Pharmazeutische Präzision
Um ihre Beobachtungen zu interpretieren, führte Tomas Fullana, Forscher am Labor für Strömungsmechanik und Instabilitäten , numerische Simulationen zur Charakterisierung der komplexen Dynamik des Tropfenrückpralls durch und erleichterte so die Entwicklung eines Modells, das es dem Team ermöglichte, ihr gemessenes Rückprallverhalten zu simulieren und genau vorherzusagen.
Interessanterweise stellten die Wissenschaftler fest, dass die Schwebezeit des Tröpfchens nur durch seine seitliche Fortbewegung über die Glimmeroberfläche begrenzt zu sein schien, da es schliesslich auf einen Defekt stiess, der den darunter liegenden Luftfilm durchbrach und den üblichen "Splash" auslöste. Ansonsten", sagt Tomas Fullana, "zeigen unsere numerischen Simulationen, dass ein Tropfen genügend kinetische Energie behalten könnte, um über einen längeren Zeitraum oder sogar auf unbestimmte Zeit abzuprallen."
Diese Entdeckung könnte die Art und Weise verändern, wie Wissenschaftler die Handhabung sehr kleiner Mengen von Flüssigkeiten in Luft bei Raumtemperatur betrachten - eine grosse Herausforderung in der Pharmaindustrie, wo chemische Reinheit und Präzision von grösster Bedeutung sind. In einem Proof-of-Concept-Experiment gelang es dem EPFL-Team beispielsweise, die seitliche Bewegung ihres von der Glimmeroberfläche abprallenden Tröpfchens mithilfe von "Zangen" aus winzigen Druckluftstrahlen zu kontrollieren.
ReferenzenDrops Can Perpetually Bounce over a Vibrating Wettable Solid. Lebo Molefe, Tomas Fullana, François Gallaire, and John M. Kolinski. Phys. Rev. Lett. https://doi.org/10.1103/w3qq-cnj3
Das Tröpfchen in einem hüpfenden Zustand mit grossen Rückprallamplituden. 2025 EPFL CC BY SA
Das auf dem schwingenden Festkörper gebundene Tröpfchen über einer Luftschicht. 2025 EPFL CC BY SA
Ein Siliziumöltröpfchen prallt von einer vibrierenden Oberfläche ab. 2025 EPFL CC BY SA
