idw – Informationsdienst Wissenschaft
Nachrichten, Termine, Experten
Nachrichten, Termine, Experten
Darmstadt, 3. Juni 2024. Forschende der TU Darmstadt entschlüsseln den jahrzehntelang bekannten Effekt, dass gleitende Tropfen Oberflächen elektrisch aufladen. Nun ist es möglich, das Phänomen gezielter zu untersuchen und für Anwendungen zu nutzen.
Lässt sich aus Regentropfen Strom gewinnen? Ein seit 30 Jahren bekannter Effekt lässt das vermuten. Wenn ein Flüssigkeitstropfen über eine Oberfläche gleitet, laden sich beide elektrisch auf. Dabei entstehen verblüffend große elektrische Spannungen im Bereich von Kilovolt. Experimentell wird der Effekt seit Jahren erforscht. Um das Phänomen aber gezielt für Anwendungen zu nutzen, muss man es verstehen und wissenschaftlich exakt beschreiben. Genau das gelang nun einem Forschungsteam um Aaron Ratschow und Lisa Bauer vom Fachgebiet für Nano- und Mikrofluidik am Fachbereich Maschinenbau der Technischen Universität Darmstadt. Die Forschenden berichten darüber im renommierten Fachjournal „Physical Review Letters“.
„Der Effekt hat eine große technische Relevanz“, sagt Ratschow. Er spiele überall dort eine Rolle, wo Flüssigkeitstropfen auf nichtleitende Oberflächen treffen. Als Beispiele nennt der Ingenieur Pflanzenschutzmittel auf Blättern, selbstreinigende Oberflächen oder Sprüh- und Druckprozesse in der Industrie. In der Chipindustrie verursacht der Effekt Ausschuss: Bei der Reinigung von Halbleiterscheiben mit Wasser führen die großen Spannungen zu Schäden.
„Doch ohne ein theoretisches Verständnis des Effektes lassen sich experimentelle Daten nicht gut einordnen“, betont Ratschow. Es sei schwer, belastbare Vorhersagen aus den Daten zu gewinnen. Das Team der TU Darmstadt wollte, zusammen mit Mainzer und Stuttgarter Forschenden, verstehen, welche Mechanismen zu dem erstaunlichen Phänomen beitragen. Ihre nun vorliegende Theorie ermöglicht es, Experimente gezielt zu designen und ihren Ausgang vorherzusagen.
Zunächst überlegten sich die Wissenschaftler, welche chemischen und physikalischen Mechanismen eine Rolle spielen könnten. Die Spannung entsteht, weil Moleküle an der Oberfläche aufgebrochen werden, wenn der Tropfen darüber rollt und die unterschiedlich geladenen Molekülteile anschließend voneinander getrennt werden – die einen bleiben auf der Oberfläche, die anderen wandern in den Tropfen hinein. Wie das geschieht, wird von diversen Faktoren beeinflusst, etwa wie gut Ionen im Tropfen transportiert werden oder wie die chemischen Reaktionen zwischen den Molekülen an der Oberfläche und denen im Tropfen ablaufen. Ein weiterer Faktor ist der Benetzungswinkel, der beschreibt, ob ein Tropfen eher wie ein Pfannkuchen auf einer Fläche liegt oder fast kugelförmig bleibt, mit kleiner Kontaktfläche. Ein fast kugelförmiger Tropfen perlt leicht ab, Fachleute sagen auch, die Oberfläche ist „hydrophob“.
Die verschiedenen Mechanismen fassten die Forschenden in einem Computermodell zusammen. „Das ist wie ein virtuelles Experiment“, sagt Ratschow. Damit konnten sie herausfiltern, welche der möglichen Mechanismen die wichtigsten sind. Diese Erkenntnisse nutzten sie dann für ein mathematisches Modell, das den Effekt quantitativ beschreibt. Es lässt sich also aus Eigenschaften der Oberfläche und der darauf gleitenden Flüssigkeit berechnen, welche Spannungen entstehen und welche Ladungsmengen fließen.
Die Theorie hebt zwei praktisch relevante Faktoren hervor. Zum einen zeigte sich: Je hydrophober die Oberfläche ist, desto mehr Ladung bildet sich auf ihr. „Wenn man den Effekt nutzen will, um Energie zu gewinnen, empfehlen sich deshalb hydrophobe Oberflächen“, erklärt Ratschow.
Als zweiter einflussreicher Faktor erwies sich die Strömung innerhalb des Flüssigkeitstropfens. Die Flüssigkeit wird beim Gleiten umgewälzt, sodass elektrisch geladene Molekülteile von der Oberfläche weggerissen werden. „Das führt zu dem überraschenden Effekt, dass weniger Ladung entsteht, wenn die Tropfen schnell gleiten“, sagt Ratschow. Diese Erkenntnis könne die Halbleiterindustrie nutzen, um ihren Ausschuss zu verringern, meint der Wissenschaftler. Demnach müsste das Reinigungswasser möglichst schnell über die Halbleiterscheiben fließen.
„Dieses sehr grundlegende Phänomen lässt sich nun endlich theoretisch beschreiben“, erklärt Ratschow. Das Darmstädter Team hofft, dass dies zu vielen innovativen Anwendungen führen wird.
Über die TU Darmstadt
Die TU Darmstadt zählt zu den führenden Technischen Universitäten in Deutschland und steht für exzellente und relevante Wissenschaft. Globale Transformationen – von der Energiewende über Industrie 4.0 bis zur Künstlichen Intelligenz – gestaltet die TU Darmstadt durch herausragende Erkenntnisse und zukunftsweisende Studienangebote entscheidend mit.
Ihre Spitzenforschung bündelt die TU Darmstadt in drei Feldern: Energy and Environment, Information and Intelligence, Matter and Materials. Ihre problemzentrierte Interdisziplinarität und der produktive Austausch mit Gesellschaft, Wirtschaft und Politik erzeugen Fortschritte für eine weltweit nachhaltige Entwicklung.
Seit ihrer Gründung 1877 zählt die TU Darmstadt zu den am stärksten international geprägten Universitäten in Deutschland; als Europäische Technische Universität baut sie in der Allianz Unite! einen transeuropäischen Campus auf. Mit ihren Partnern der Rhein-Main-Universitäten – der Goethe-Universität Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – entwickelt sie die Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main als global attraktiven Wissenschaftsraum weiter.
www.tu-darmstadt.de
MI-Nr. 20/2024, Meier/mih
Aaron Ratschow M.Sc.
ratschow@nmf.tu-darmstadt.de
+49 6151 16-24273
Aaron D. Ratschow, Lisa S. Bauer, Pravash Bista, Stefan A. L. Weber, Hans-Jürgen Butt und Steffen Hardt: „How Charges Separate when Surfaces Are Dewetted, DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.224002
https://physics.aps.org/articles/v17/91 Der Forschungsarbeit wurde auch eine Focus Story im „Physics Magazine“ gewidmet. In der Publikation der American Physical Society berichten Journalist:innen über wegweisende und innovative Forschung aus allen Bereichen der Physik und bringen diese einem breiten Publikum näher.
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Studierende, Wissenschaftler
Chemie, Elektrotechnik, Energie, Maschinenbau, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
Sie können Suchbegriffe mit und, oder und / oder nicht verknüpfen, z. B. Philo nicht logie.
Verknüpfungen können Sie mit Klammern voneinander trennen, z. B. (Philo nicht logie) oder (Psycho und logie).
Zusammenhängende Worte werden als Wortgruppe gesucht, wenn Sie sie in Anführungsstriche setzen, z. B. „Bundesrepublik Deutschland“.
Die Erweiterte Suche können Sie auch nutzen, ohne Suchbegriffe einzugeben. Sie orientiert sich dann an den Kriterien, die Sie ausgewählt haben (z. B. nach dem Land oder dem Sachgebiet).
Haben Sie in einer Kategorie kein Kriterium ausgewählt, wird die gesamte Kategorie durchsucht (z.B. alle Sachgebiete oder alle Länder).
