Drei mal dieselbe Aufnahme eines Schmetterlingsflügels mit einer Vene in der Mitte. Ein Wassertropfen fällt von oben darauf und wird an der Vene in zwei zur Seite wegspritzende Tropfen geteilt.

Verbesserter Lotuseffekt durch Symmetriebrechung

Wie lange verweilt ein Wassertropfen auf einer Oberfläche, bevor er abprallt? Diese Frage kann kritisch werden, etwa wenn es darum geht, die Vereisung von Tragflächen bei Flugzeugen zu vermeiden. In der Strömungsmechanik gab es bisher eine theoretische Obergrenze für diese Kontaktzeit. Forscher um James Bird von der Boston University haben nun einen Weg gefunden, dieses Limit zu durchbrechen: Indem sie die Oberfläche mit Rillen überzogen, gelang es ihnen, die Kontaktzeit zwischen Wassertropfen und Oberfläche um rund 40 Prozent zu verkürzen. Von ihren Ergebnissen berichten sie in der Fachzeitschrift „Nature“.

Oben links: Blauer Kreis auf grauem Hintergrund. Im Inneren des Kreises regelmäßig angeordnete Pfeile, die nach innen zeigen. Rechts: Der Kreis hat hier eher die Form einer liegenden Acht. Die Pfeile an der schmalsten Stelle sind länger als die in den Bäuchen der Acht. In der Mitte: Zwei Rasterelektronenmikroskopaufnahmen. Die linke Struktur ähnelt einem Blumenkohl von oben betrachtet, die rechte einem Querschnitt durch einen Berg oder eine Welle. Unten: Drauf- und Seitansicht einens zerspringenden Tropfens in vier Schritten.
Schematische Darstellung und Aufnahmen eines Tropfens auf einer Oberfläche mit und ohne makroskopischer Textur.

„Die Zeit, in der ein Tropfen in Kontakt mit der Oberfläche bleibt, ist bedeutsam, weil sie den Austausch von Masse, Impuls und Energie zwischen dem Tropfen und der Oberfläche bestimmt“, sagt Koautor Kripa Varanasi vom Massachusetts Institute of Technology. „Wenn die Tropfen schneller abprallen, kann das viele Vorteile haben.“ So können zum Beispiel Regentröpfchen bei kurzer Verweildauer auf einer Tragfläche nicht so leicht festfrieren und damit auch nicht zur Quelle gefährlicher Turbulenzen am Flügel werden.

Wenn ein Wassertropfen auf eine Oberfläche trifft, verbreitert er sich zunächst zu einer pfannkuchenartigen Scheibe. Anschließend zieht er sich durch die Oberflächenspannung des Wassers wieder zu einer Kugel zusammen und perlt von der Oberfläche ab. Wie lange der Tropfen seinen Kontakt zur Oberfläche behält, hängt von der Schwingungsdauer ab, mit der er nach dem Aufprall vibriert. Bisher versuchten Wissenschaftler die Kontaktzeit vor allem dadurch zu minimieren, dass sie die Wechselwirkung zwischen Wasser und Oberfläche möglichst gering hielten. An den „superwasserabweisenden“ Oberflächen, die sie entwickelten, sollte Wasser möglichst wenig haften bleiben.

Bird und seine Kollegen machten genau das Gegenteil: Sie überzogen die Oberfläche mit makroskopischen Texturen wie etwa Rillen, die für eine höhere Adhäsion sorgten. Auf der zerfurchten Oberfläche zersprangen die Wassertropfen daraufhin in mehrere, unregelmäßige Tröpfchen, die sich einzeln zusammenzogen und abprallten. Im Vergleich zu ungerillten Kontrollflächen maßen die Forscher eine um 37 Prozent kürzere Kontaktzeit.

Zu sehen sind fünf Reihen mit jeweils fünf Draufansichten eines Tropfens, der auf verschiedene Oberflächen fällt, sowie je ein Rasterelektronenmikroskopbild. In den ersten vier Reihen wird der Tropfen an einer rillenartigen Struktur der Oberfläche gespalten, sodass am Ende zwei kleinere Tropfen vorliegen.
Tropfen auf verschiedenen Oberflächen

Der neuartige Lotuseffekt könnte nicht nur zur Herstellung höchst wasserabweisender Oberflächen beitragen und dem Vereisen von Tragflächen vorbeugen, sondern auch in anderen Bereichen angewandt werden. So arbeiten zum Beispiel die Schaufelblätter von Turbinen in Kraftwerken weniger effizient, wenn sich Kondenswasser auf ihren Oberflächen bildet. „Wenn es gelingt, die Schaufelblätter länger trocken zu halten, lässt sich die Effizienz der Turbinen steigern“, sagt Varanasi. Als weitere Anwendung der Technik wäre Korrositionsschutz von Oberflächen denkbar, die durch den Kontakt mit säurehaltigen Tröpfchen angegriffen werden.

In einem YouTube-Video (englisch) des Nature-Kanals werden diese Phänomene anschaulich dargestellt.