Bauteiloberflächen Tropfen im Fokus

Mit einem 3D-Hochgeschwindigkeitskamera-System untersuchen Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) was passiert, wenn Tropfen auf unterschiedliche Oberflächen treffen. Die Erkenntnisse sollen dabei helfen, den Verschleiß bei Maschinen zu senken oder Produktionsanlagen schmutzfrei zu halten.

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Technische Universität Kaiserslautern

Aus der Natur ist der Lotos-Effekt bekannt: Fällt ein Wassertropfen auf ein Lotosblatt, perlt er einfach ab. Die Oberfläche der Blätter weist winzige Unebenheiten (Noppen) auf, die dazu führen, dass Tropfen an ihr abprallen. Der Botaniker Wilhelm Barthlott entdeckte die winzigen Strukturen in den 1970er Jahren mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops. Inzwischen findet das Prinzip des Lotos-Effekts zum Beispiel an Fensterscheiben oder bei Wandfarben Verwendung.

An der TU Kaiserslautern beschäftigen sich Forscher des Fachbereichs Maschinenbau und Verfahrenstechnik nun ebenfalls mit diesem Phänomen. Dabei steht die Frage im Mittelpunkt, wie sich Tropfen verhalten, wenn sie auf Oberflächen treffen, die unterschiedlich geformte Mikrostrukturen aufweisen – wie etwa Noppen, Gitter- oder Trapezformen. Beim Lotosblatt etwa perlen Tropfen ab, wohingegen sie eine Betonwand benetzen. Ursache ist die jeweilige Beschaffenheit der Oberfläche.

Mikrostrukturen beeinflussen das Verhalten der Tropfen

Winzige Strukturen führen dazu, dass ein Tropfen haftet oder eben nicht. „Es geht um Strukturen, die deutlich kleiner sind als zum Beispiel der Durchmesser eines Haares“, berichtet Fabian Krull, der sich im Rahmen seiner Promotion am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik mit dem Thema befasst. Die Strukturen liegen in einem Bereich zwischen 100 nm und 10 µm. Das sind Dimensionen, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Diese Mikrostrukturen können jedoch das Auftreffen der Tropfen auf eine Oberfläche unterschiedlich beeinflussen.

Um den Prozess im Detail beobachten zu können, verwenden die Forscher drei Hochleistungskameras. „Sie machen Bilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln“, erklärt Krull. Eine Software setze die Daten dann zu einem 3D-Bild zusammen. „So können wir Schritt für Schritt beobachten, was passiert, wenn Tropfen auf verschiedene Oberflächen auftreffen“, sagt Prof. Dr. Sergiy Antonyuk von der TUK. Außerdem simulieren die Wissenschaftler den Fall der Tropfen in Computermodellen.

Praktischer Einsatz in Industrieanlagen oder Krankenhäusern

Wie die TUK mitteilt, sollen die Erkenntnisse der Forscher künftig zum Beispiel dazu genutzt werden, die Reibung bei Maschinen zu verringern oder Oberflächen in Industrieanlagen so zu gestalten, dass sich Staub- und Schmutzpartikel nicht auf den dortigen Maschinen ansammeln. Denkbar sei auch ein Einsatz in Krankenhäusern, etwa um zu verhindern, dass dort Mikroorganismen haften bleiben.

Die Forschungsarbeiten finden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 926 „Bauteiloberflächen: Morphologie auf der Mikroskala“ statt, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird.

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