Mikrotröpfchen am Rayleigh-Limit
Katja Seefeldt 09.01.2003
Physiker liefern die ersten scharfen Bilder vom Verhalten winziger elektrisch geladener Flüssigkeitströpfchen
Gleiche Ladungen stoßen sich ab, ungleiche Ladungen ziehen sich an. Auch Flüssigkeitströpfchen können nur eine bestimmte Menge gleicher Ladungen tragen, bis sie durch die Abstoßungskräfte explodieren. Mit diesem Phänomen beschäftigte sich Ende des vergangenen Jahrhunderts bereits der britische Forscher ![[extern]](/tp/r4/icons/inline/extlink.gif)
Lord Rayleigh (1842-1919) , dem wir im Übrigen auch die erste wissenschaftlich korrekte Erklärung für die blaue Farbe des Himmels verdanken.
 |
| Aufnahme eines explodierenden Tröpfchens mit Rayleigh-Jets |
Er stellte schon im Jahre 1882 eine Formel auf, nach der die maximale Ladung eines Tropfens vom Verhältnis von Oberflächenspannung und dem Radius abhängt. Denn je kleiner der Radius eines Flüssigkeitstropfens ist, umso weniger Ladung lässt sich aufbringen und je größer die Oberflächenspannung ist, desto stärker wird der Tropfen zusammengehalten.
Doch die von Rayleigh getroffenen Aussagen zu Stabilität bzw. Instabilität von Flüssigkeitströpfchen haben nachfolgenden Forschergenerationen auch heftiges Kopfzerbrechen bereitet. Der umtriebige britische Wissenschaftler hatte nämlich auch postuliert, dass Tröpfchen jenseits des Rayleigh-Limits feine Strahlen (fachsprachlich auch Jets genannt) ausbilden, die Ladung und Masse vom Tröpfchen wegtransportieren und so seine Stabilität wieder herstellen. Auf Bildern ließ sich dies jedoch bislang nicht nachvollziehen. Die besten Versuche lieferten höchstens verschwommene Aufnahmen von verzerrten Tröpfchen.
Einem Physikerteam der Technischen Universität Ilmenau unter Leitung von Thomas Leisner ist es jetzt erstmals gelungen, das Explodieren von Mikrotröpfchen sowie die Entstehung von Jets in scharfen Bildern festzuhalten. In der aktuellen Ausgabe von Nature präsentieren sie ihre Versuche. Dabei kommen die Wissenschaftler jedoch auch zu dem Ergebnis, dass die Entstehung der Jets, nicht erst bei Ladungen über dem Rayleigh-Limit eintritt, so wie Rayleigh dies prophezeit hatte, sondern bereits bei Ladungen genau am Rayleigh-Limit.
Für ihre Versuche verwendeten die Ilmenauer Physiker Ethylenglykol, das sich zur Beobachtung gut eignet, weil es sich vergleichsweise einfach handhaben lässt. Beobachtet wurde der Prozess mit einem High-Speed Microscope, was man mit Ultra-Kurzzeit-Mikroskop übersetzen könnte, einem herkömmlichen Mikroskop, bei dem der winzig kleine Tropfen im Fokus des Mikroskops nur für den Bruchteil einer Millionstel Sekunde beleuchtet werden.
Anzeige
 |
Die Ethylenglykol-Tröpfchen wurden von einem Injektor produziert, der dem Druckkopf eines Tintenstrahldruckers recht ähnlich ist. 3,3 Picocoulomb luden die Forscher ihren rund 120 Mikrometer großen Mikrotröpfchen auf. Zur Beobachtung wurden sie in einer elektrodynamischen Falle, einer so genannten Paul-Falle eingefangen, wo sie in fester Position an einem Ort stehenblieben und langsam verdampften, bis sie bei rund 48 Mikrometer Durchmesser das Rayleigh-Limit erreichten. Das zurückgestreute Licht zeigte den Physikern an, wann das Limit erreicht sein würde und aktivierte den Lichtblitz, sowie den Auslöser der angeschlossenen Digitalkamera. Durch Variierung des Belichtungszeitpunkts konnten die Wissenschaftler im Foto festhalten, was in der Nähe des Limits passiert.
Die Mikrotröpfchen verformen sich periodisch, von kugelförmig zu zigarrenförmig und wieder zu kugelförmig zurück, worauf sie sich abplatten wie eine Oblate oder ein Pfannkuchen. Weil die Tropfen so schwingen, dachte man früher, dass sie sich irgendwann in zwei Teile teilen, das geschieht aber nicht,
erklärt Denis Duft vom Ilmenauer Physiker-Team den Vorgang. Nähert sich der Tropfen dem Rayleigh-Limit deformiert er sich zu einer langgezogenen Ellipse bis schließlich aus beiden spitzen Enden des Tropfens ein hauchdünner Strahl Flüssigkeit herausschießt, der jeweils in einen Tröpfchennebel zerfällt. Anschließend zieht sich der Tropfen wieder zusammen. Der ganze Prozess ist eine äußerst flüchtige Angelegenheit, die sich in Millionstel Sekundenabschnitten vollzieht. Dabei konnten die Ilmenauer Forscher auch beobachten, dass sich die Jets bereits am Rayleigh-Limit bilden und nicht wie Rayleigh selbst postuliert hatte, erst danach.
Denis Duft erklärt auch, wie es weiter gehen soll:
Es bleibt noch zu klären, ob die Jet-Bildung ein generelles Phänomen ist, ob sie bei verschiedenen Flüssigkeiten ähnlich abläuft und natürlich wie es dazu kommt. Denn man muss sich vorstellen, es handelt sich um eine sehr glatte Oberfläche, aus der dieser sehr dünne Strahl herauskommt. Man benötigt schon ein sehr komplexes Modell der Hydrodynamik, um diesen Vorgang erklären zu können. Bislang gab es dazu noch keine befriedigenden Erklärungen. Wir als Experimentalphysiker müssen hier Daten liefern, damit man verschiedene Modelle testen kann. Daher sind auch Versuche mit Flüssigkeiten angedacht, die viskoser sind oder eine andere Oberflächenspannung besitzen.
Und wo liegt der praktische Nutzen? Elektrisch aufgeladene Flüssigkeitströpfchen kommen in Gewitterwolken vor und spielen bei verschiedenen technischen Anwendungen wie Tintenstrahldruck, Brennstoffeinspritzung oder Elektrospray-Ionisation eine Rolle. Bei letzterem Verfahren werden große Biomoleküle aus chemischen Lösungen gewonnen, indem die Flüssigkeit durch wiederholte Jetbildung gewissermaßen in ihre Bestandteile zerlegt wird.
