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Konzentrationsgefälle durchleuchtet Forscher messen erstmals störungsfrei Verdunstung

Quelle: Pressemitteilung

Was passiert in Flüssigkeitstropfen, wenn diese verdunsten? Um Konzentrationsänderungen in der Flüssigkeit möglichst genau zu untersuchen, haben Forscher der TU Darmstadt erstmals ein berührungsfreies Verfahren genutzt, das ohne Marker auskommt. Mittels Raman- und NMR-Spektroskopie sind so weitgehend störungsfreie Messungen von Verdunstungsprozessen möglich.

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Alena Bell und Jonas Kind in der NMR-Halle beim Vorbereiten der Versuche, um den Probenkopf für die NMR-Versuche zu befüllen.
Alena Bell und Jonas Kind in der NMR-Halle beim Vorbereiten der Versuche, um den Probenkopf für die NMR-Versuche zu befüllen.
(Bild: Alexander Erb)

Darmstadt – Wenn wir eine Wand streichen oder Papier bedrucken, müssen die flüssigen Bestandteile der Farbe verdunsten, während die festen Farbpartikel an der Wand oder dem Papier haften bleiben. Um solche technischen Verdunstungsprozesse besser steuern zu können, kommen oft Flüssigkeitsgemische zum Einsatz, wobei die einzelnen Flüssigkeiten meist unterschiedlich schnell verdunsten. Das Mischungsverhältnis nach Auftragen der Tropfen verändert sich deshalb mit der Zeit durch die Verdunstung. Durch diese Transportvorgänge entstehen in den Tropfen Konzentrationsgradienten – also ein Gefälle von Regionen mit unterschiedlich hoher Konzentration. Diese waren bisher nur schwer nachzuweisen.

Das Problem: Eine Messung der Konzentration während der Verdunstung war nicht möglich, ohne dass der Prozess durch die Untersuchungsmethode selbst oder durch Markierungspartikel beeinflusst wurde. Forscher der TU Darmstadt wählten nun einen anderen Weg: Ihnen ist es erstmals gelungen, solche Konzentrationsgradienten berührungsfrei mithilfe ortsaufgelöster Kernspinresonanz- (NMR) und Ramanspektroskopie nachzuweisen. Da die Messungen berührungsfrei erfolgen und auch keine chemischen Markersubstanzen dazugegeben werden müssen, konnte das Verdunstungsverhalten weitgehend ohne Störung durch den Messprozess untersucht werden.

Zwei Werkzeuge zum Messen von Konzentrationsänderungen

In ihrer aktuellen Publikation zeigten die beteiligten Wissenschaftler um Alena Bell und Jonas Kind vom Fachbereich Material- und Geowissenschaften sowie dem Fachbereich Chemie der TU Darmstadt, wie sich im Tropfen ein Konzentrationsgradient ausbildet, der sich mit der Zeit durch Verdunstung verändert. Mit den beiden ortsaufgelösten Spektroskopiemethoden stehen zwei unabhängige Werkzeuge zur Verfügung, mit denen Konzentrationsänderungen in Flüssigkeiten gemessen werden können, wie sie etwa durch Verdunstungs- und Transportvorgänge hervorgerufen werden.

Die Ergebnisse der Forschung von Bell und Kind stellen einen wichtigen Beitrag zur Grundlagenforschung dar. Sie könnten zukünftig auf allgemeine Messungen von chemisch ähnlichen Substanzen oder beispielsweise auf „Lab-on-a-chip“-Anwendungen in der Medizin übertragen werden.

Originalpublikation: Alena K. Bell, Jonas Kind, Maximilian Hartmann, Robert W. Stark: Concentration gradients in evaporating binary droplets probed by spatially resolved Raman and NMR spectroscopy, in: PNAS Vol. 119, No. 15 (2022); DOI: 10.1073/pnas.2111989119

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