Wie flüssige Metalltropfen erstarren

Eiskristalle auf Tragflächen von Flugzeugen oder eine glatte Lackschicht auf Autoblech: Ursache dafür sind flüssige Tropfen, die auf eine Oberfläche treffen, dort erstarren und haften bleiben. Mal unerwünscht, mal erwünscht. Forscher untersuchten diesen Effekt nun genauer und entdeckten einen bisher nicht bekannten Zusammenhang zwischen flüssigen Metalltropfen und der Oberfläche, auf die sie treffen. Denn die Tropfen bleiben nicht immer haften, sondern können nach dem Erstarren auch – abhängig von ihren thermischen Eigenschaften – von der Oberfläche gleiten, wie die Wissenschaftler nun in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten.

Blütenähnliches Gebilde auf dunklem Hintergrund. Der runde Tropfen ist an den Rändern gewellt und zeigt im Innern eine Rillenstruktur.
Zinntropfen auf Glas

Für ihre Experimente schmolzen Kripa Varanasi und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge zunächst das weiche Metall Zinn und ließen die etwa 240 Grad Celsius heißen Zinntropfen auf kalte, glatte Oberflächen aus Glas und Silizium fallen. Auf beiden Flächen kühlte das flüssige Metall innerhalb von einigen Millisekunden ab und erstarrte. Doch nur auf der Glasfläche blieb der kristallisierte Zinntropfen fest haften. Von der etwas geneigten Siliziumfläche rutschte er ab, ohne Rückstände zu hinterlassen.

Dieses überraschende Phänomen untersuchten die Wissenschaftler mit einer Hochgeschwindigkeitskamera: Die Aufnahmen zeigten, dass der Tropfen sich kurz nach dem Aufprall auf beiden Oberflächen zunächst wie ein Fladen ausbreitete. Auf der Glasfläche bildete sich an der Unterseite der Tropfen ein Rillenmuster mit eingeschlossenen Luftpolstern aus. Binnen einer Zehntelsekunde härtete der Tropfen gleichmäßig aus und das feste Zinn blieb an der Glasfläche haften. Auf Silizium dagegen kühlte die obere Hälfte des Tropfens schneller ab als die untere. Dadurch wölbte sich das erstarrende Zinn etwas, blieb nicht mehr gut auf der Oberfläche haften und rutschte bei geringer Neigung leicht ab.

Verantwortlich für diesen Unterschied sind zwei thermische Eigenschaften der verwendeten Materialien: die Wärmeleitfähigkeit und die Speicherfähigkeit für Wärme. Diese beiden Parameter können in einem Wert – der sogenannten Effusivität – zusammengefasst werden. So gibt die Effusivität an, wie gut Wärme in ein Material eindringen kann. Für Glas ist die Effusivität deutlich geringer als für Zinn, sodass die Hitze des Tropfens an der Grenzschicht länger gespeichert wurde und sich das flüssige Metall gleichmäßig verfestigte. Silizium dagegen hat eine höhere Effusivität als Zinn, sodass die Wärme schnell an die Umgebung abgegeben wurde. Dadurch wölbte sich der Tropfen beim Erstarren und konnte keine großen Haftkräfte zur Oberfläche aufbauen.

Nach Aussage der Forscher gilt dieser Zusammenhang nicht nur für geschmolzene Metalle, sondern auch für flüssige Polymere, Wasser oder Wachs. Je nach Wahl der Unterlage müssten diese flüssigen Tropfen abhängig von ihrer Effusivität mehr oder weniger gut haften bleiben. „Dieser Einblick hat Auswirkungen auf viele Anwendungen, in denen Haftkräfte kontrolliert werden müssen“, erläutern Varanasi und seine Kollegen. So könnte dieser Effekt für optimierte Druckverfahren mit einem Tintenstrahldrucker, für aufgesprühte Beschichtungen oder auch für ein selbstständiges Enteisen von Flugzeugtragflächen genutzt werden.