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Mehr als oberflächliche Betrachtung

3D Aufnahmen abperlender Tropfen

| Autor / Redakteur: Melanie Löw* / Christian Lüttmann

Fabian Krull (l.) und Prof. Sergiy Antonyuk untersuchen, wie Tropfen auf unterschiedliche Oberflächen auftreffen.
Bildergalerie: 2 Bilder
Fabian Krull (l.) und Prof. Sergiy Antonyuk untersuchen, wie Tropfen auf unterschiedliche Oberflächen auftreffen. (Bild: TU Kaiserslautern, Thomas Koziel)

Was hält den Wassertropfen an der Betonwand, aber lässt ihn vom Lotosblatt abperlen? Es ist die unterschiedliche Beschaffenheit der Oberfläche. Doch diese Antwort genügt Forschern der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) nicht. Sie schauen mit Hochgeschwindigkeitskameras genau hin und wollen aus den 3D Bildern auftreffender Tropfen neue Erkenntnisse über wasserabweisende Oberflächen gewinnen.

Kaiserslautern – Wenn ein Wassertropfen auf ein Lotosblatt fällt, prallt er einfach ab. Dieses als Lotos-Effekt bekannte Phänomen beruht darauf, dass die Oberfläche der Blätter winzige Unebenheiten (Noppen) aufweist, die dazu führen, dass Tropfen abperlen. Die winzigen Strukturen wurden in den 1970er Jahren vom Botaniker Wilhelm Barthlott dank des Rasterelektronenmikroskops entdeckt. Das Lotos-Prinzip findet mittlerweile zum Beispiel an Fensterscheiben oder bei Wandfarben Verwendung.

Drei „Augen“ für ein klares Bild

Auch an der TU Kaiserslautern beschäftigen sich Forscher im Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik mit diesem Phänomen. Sie gehen der Frage nach, wie sich Tropfen verhalten, wenn sie auf Oberflächen mit unterschiedlich geformten Mikrostrukturen treffen, wie etwa Noppen, Gitter- oder Trapezformen. „Dabei geht es um Strukturen, die deutlich kleiner sind als zum Beispiel der Durchmesser eines Haares“, sagt Fabian Krull, der sich im Rahmen seiner Promotion am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik bei Prof. Dr. Sergiy Antonyuk mit dem Thema befasst. Sie liegen ungefähr im Bereich zwischen 100 Nanometern und 10 Mikrometern; Dimensionen, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Und dennoch können diese Strukturen das Auftreffen von Tropfen auf eine Oberfläche unterschiedlich beeinflussen.

Um diesen Prozess im Detail zu beobachten, kommen drei Hochleistungskameras zum Einsatz. „Sie machen Bilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln“, sagt Fabian Krull. Eine Software setzt die Daten im Anschluss zu einem 3D-Bild zusammen. „Damit können wir Schritt für Schritt beobachten, was passiert, wenn Tropfen auf verschiedene Oberflächen auftreffen“, sagt Antonyuk. Darüber hinaus simulieren die Ingenieure den Fall der Tropfen in ihren Computermodellen.

Forschen für bessere Antihaftbeschichtung

Die Erkenntnisse der Forscher können künftig zum Beispiel dabei helfen, die Reibung bei Maschinen zu verringern oder Oberflächen in Industrieanlagen derart zu gestalten, dass sich Staub- und Schmutzpartikel nicht auf Maschinen ansammeln. Auch in Krankenhäusern könnten sie zum Einsatz kommen, damit etwa Mikroorganismen nicht haften bleiben. Die Forschungsarbeiten finden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 926 „Bauteiloberflächen: Morphologie auf der Mikroskala“ statt, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird.

Achema 2018: Halle 9.2, Stand A86a.

* M. Löw, Technische Universität Kaiserslautern (TUK), 67663 Kaiserslautern

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