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Experimentelle Untersuchung der Bewegung von Wassertropfen aufgrund eines Gradienten der Benetzbarkeit

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Janusz A.Szymczyk
Wissenschaftlicher Mitarbeiter:	Dr.-Ing. Paul Zielke
Projektstatus:	abgeschlossen

Kurzdarstellung

1978 befasste sich Greenspan in einer Veröffentlichung (J. Fluid Mech. 84, 125-143, 1978) unter anderem auch mit der Möglichkeit der Wanderung von Tropfen auf horizontalen Festkörperoberflächen, wenn diese Oberflächen einen Gradienten des Kontaktwinkels aufwiesen.

Ein Wassertropfen hängt an einer Kapillare und ist kurz davor, die Siliziumoberfläche zu berühren. Die Oberfläche ist in diesem Bereich (rechts) hydrophob, also wasserabweisend. Der Kontaktwinkel beträgt hier mehr als 90°. Weiter links nimmt der Kontaktwinkel immer mehr ab, die Oberfläche wird benetzbarer bzw. hydrophil. Berührt der Tropfen die Oberfläche bewegt er sich nach links in Richtung geringer werdenden Kontaktwinkels.

1992 demonstrierten die Amerikaner Manoj K. Chaudhury und George M. Whitesides (Science 256 1539-, 1992) das Wandern eines Wassertropfens auf einer Oberfläche mit einem Kontaktwinkelgradienten. Sie bestätigten damit die Annahme von Grenspan. Die Oberfläche – in diesem Fall eine Siliziumoberfläche eines herkömmlichen polierten Wafers – wurde chemisch behandelt und wies dadurch einen Gradienten des Kontaktwinkels auf. Die Forscher plazierten den Wassertropfen auf das untere hydrophobe (wasserabweisende) Ende der um 15° geneigten Oberfläche und beobachteten das Wandern des Tropfens gegen die Schwerkraft in Richtung des oberen hydrophilen Endes.

Wandern des Tropfens gegen die Schwerkraft in Richtung des oberen hydrophilen Endes

Die Anwendungsmöglichkeiten für dieses Phänomen sind vielfältig. Der Hauptanwendungsbereich liegt im Transport kleinster Flüssigkeitsmengen. Hier verursacht der allgemeine und überall zu beobachtende Trend zur Miniaturisierung ganzer Systeme eine große Nachfrage nach Möglichkeiten, Stoffe - insbesondere Flüssigkeiten - zu transportieren. Mechanische Förder- und Pumpsysteme sind bei diesen Grössenordnungen nicht geeignet. Der Einfluß der Kapillarkräfte ist hier zu groß. Es herrscht großes Interesse an entsprechenden Fördersystemen, beispielsweise für:

• Mikrosysteme für die chemische Analyse, sogenannte bio(chemische) Ein-Chip-Labore,
• MikroElektroMechanischeSysteme (MEMS),
• Kleinstproduktionssysteme, um nur einige zu nennen.

Weiterhin läßt sich diese Art der Tropfenbewegung auch ausnutzen, um Oberflächen von Flüssigkeiten zu befreien. Das automatische Reinigen von Düsenzonen ließe sich auf diesem Wege erreichen. Eine interessante und vielversprechende Anwendung der "Selbstreinigung" entsprechende behandelter Oberflächen demonstrierten Daniel, Chaudhury und Chen (Science, 291, 633-636, 2001). Sie zeigten, daß sich auf diesem Weg die Effektivität von Wärmeübertragern deutlich steigern läßt, da der sich bei der Kondensation von Wasserdampf an den Wärmeübertragungsflächen bildende Wasserfilm kontinuierlich beseitigt wird.

Im Rahmen des Projektes wurden folgende Punkte tiefgehend untersucht:

• Verlauf des dynamischen Kontaktwinkels während der Bewegung
• Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Tropfengröße
• Zusammenhang zwischen dem statischen Kontaktwinkelprofil und dem Geschwindigkeitsverlauf
• Einfluss der Tropfenstartposition auf den Geschwindigkeitsverlauf