Tropfen prallt an Luft ab

Für ein scharf konturiertes Druckergebnis muss die zu feinen Tröpfchen zerstäubte Tinte des Tintenstrahldruckers genau an dem Punkt auf dem Papier haften, auf den sie gesprüht wird. Einen diesem Ziel entgegenwirkenden Mechanismus, durch den fallende Tropfen bis zu fünfzehnmal nahe einer Oberfläche abprallen, untersuchte eine Forschergruppe um Jolet de Ruiter von der Universität Twente in den Niederlanden. Statt an der Fläche selbst, federn die untersuchten Tropfen an einer Luftschicht oberhalb der Fläche zurück, die dünner ist als ein Mikrometer. Da die Fläche selbst vom Tropfen unberührt bleibt, spiele es keine Rolle wie wasserabweisend die Oberfläche ist, so die Forscher im Fachmagazin „Nature Physics“.

Frühere Beobachtungen zeigten, dass ein Luftkissen zwischen Oberflächen und Flüssigkeitstropfen den Aufprall zwar dämpft, aber nicht verhindert. Die Schichten verloren ihre Elastizität, weil sie schon nach millionstel Sekunden der Belastung zerplatzten. De Ruiter und ihre Kollegen knüpften daran an und filmten mit einer Hochgeschwindigkeitskamera millimetergroße Tropfen, die auf eine sehr glatte Fläche fielen. Noch genauer konnten sie den letzten Millimeter Wegstrecke vor dem vermeintlichen Aufprall mit schnellen Interferenzaufnahmen verfolgen. Die Forscher beobachteten, dass ein fallender Tropfen seine Richtung nahe der Oberfläche umkehrte, ohne diese zu berühren. Stattdessen wurde der Tropfen von der elastischen Kraft einer dünnen Luftschicht oberhalb der Platte gestoppt und zur Umkehr veranlasst. Die Dicke der schicht betrug etwa zweihundert Nanometer (Millionstel Millimeter).

Aufnahme eines hüpfenden Tropfens

Der Tropfen bewegte sich bis zu fünfzehn Mal auf und ab, wobei sich die Sprunghöhe – und damit die Geschwindigkeit beim erneuten Auftreffen – in jedem Zyklus verringerte. Fiel er langsamer, hatte die Luft ausreichend Zeit an ihm vorbei zu strömen. Somit war das Luftpolster jedes Mal ein bisschen dünner und letztendlich zu schwach um den Tropfen erneut zurück zu federn. Erst als sich kein Polster mehr aufbaute, benetzte der Tropfen die Unterlage. Die Forscher wiederholten das Experiment mit anderen Oberflächen und anderen Flüssigkeiten. Egal wie stark sie die beidseitige Haftung unter statischen Bedingungen wählten: stets federte der Tropfen an einem Luftkissen zurück. Das Sprungverhalten zeigte keine Abhängigkeit von der Benetzbarkeit der Oberfläche.

Die Ergebnisse seien überall von Bedeutung, wo Flüssigkeiten und Oberflächen sich treffen. Neben offensichtlicher Anwendung für Drucker könne damit zum Beispiel die Nanostrukturierung von flüssigkeitsabweisenden Beschichtungen weiter optimiert werden, so die Autoren.