Leidenfrost, nur umgedreht

16. Januar 2019, 13:23 Uhr
Die Bahn eines Äthanoltröpfchens auf flüssigem Stickstoff.
(Foto: TU Twente)
Die Bahn eines Äthanoltröpfchens auf flüssigem Stickstoff.
(Foto: TU Twente)
Ein Tropfen Öl, auf einer sehr kalten flüssigen Oberfläche aufgebracht, beginnt sich kurz darauf wie von Geisterhand geradlinig und für viele Minuten zu bewegen, selbst dann, wenn der Tropfen erstarrt. Es ist eigentlich das Gegenteil von dem berühmten Wassertropfen auf der heißen Herdplatte, dem so genannten Leidenfrost-Phänomen.

Heiße Platte

Tropfen, die auf eine Herdplatte fallen, verdunsten nicht sofort, sondern werden von einer Art Kissen aus ihrem eigenen Dampf angehoben. Dieser Effekt der schwebenden Tröpfchen wurde seit seiner Entdeckung im 18. Jahrhundert durch den Namensgeber Johann Gottlob Leidenfrost eingehend untersucht. Aber was passiert eigentlich mit einem Tropfen auf einer extrem kalten Oberfläche? Die UT-Forscherin Anaïs Gauthier wollte dies wissen und gab einen Tropfen raumtemperaturwarmen Silikonöls in ein Bad mit flüssigem Stickstoff (-196 °C). Und was passierte? Dieser Tropfen friert nicht an Ort und Stelle sofort ein, sondern beginnt, sich nach wenigen Sekunden spontan und mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen, ohne dass ihm vorerst einfällt, zum Stillstand zu kommen. Das Experiment lässt sich auch mit einem Tropfen Ethanol (Alkohol) durchführen. Selbst wenn der Tropfen am Ende doch einfriert, bewegt er sich munter für Dutzende von Minuten in geraden Linien über die Oberfläche und prallt, wenn er an den Rand des Behälters gerät, elastisch zurück.

Formveränderung

Im Gegensatz zum normalen Leidenfrost-Effekt ist es nicht der Tropfen, sondern die darunterliegende Oberfläche der Flüssigkeit, die eine Formveränderung erfährt. Zwischen der kalten Flüssigkeit und dem relativ warmen Öl bildet sich eine Dampfschicht. So weit, so gut, aber diese Tatsache erklärt nicht, warum sich der Tropfen bewegt, anstatt geduldig an Ort und Stelle zu verharren, bis er einfriert. Es muss eine Ursache geben! Die Analyse der Kamerabilder, Simulationen und mathematische Modelle zeigen, dass die Schicht unter dem Tropfen nicht symmetrisch ist, und dass diese Asymmetrie die Bewegung auslöst. Die Geschwindigkeiten sind auf diese Weise leicht vorhersehbar. Gäbe es keine Kollision mit den Wänden, würde die Bewegung auch viel früher erlahmen, doch da sich zwischen Wand und Tropfen ebenfalls eine Dampfschicht bildet, wird der Tropfen elastisch zurückreflektiert.

Biologische Materialien

Weitere Forschung muss genau zeigen, was die Asymmetrie in der Schichtoberfläche verursacht. Eine interessante Frage ist auch, was passiert, wenn sich mehrere Tropfen auf der Oberfläche befinden. Die Wissenschaftlerin Anaïs Gauthier ist mit ihrer Forschung keineswegs Anwärterin auf den Ig-Nobelpreis, die spontane Bewegung von Tröpfchen könnte zum Beispiel für das Einfrieren und Transportieren von biologischen Materialien ohne Kontamination von großer Bedeutung sein. Die Forschung wurde in der Gruppe Physics of Fluids durchgeführt, einem Teil des MESA+-Instituts der niederländischen Universität Twente. Das Papier „Self-propulsion of invers Leidenfrost drops on a cryogenic bath“ wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS) veröffentlicht.
 

Video: Universität Twente
 
Kommentare werden geladen...
Verwandte Artikel