Neue Aspekte der Oberflächenbenetzung

Wenn eine Oberfläche nass wird, spielt dabei auch die Zusammensetzung der Flüssigkeit eine Rolle. Forschende des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) fanden heraus, dass die Phasentrennung innerhalb der benetzenden Flüssigkeit die Ausbreitungsdynamik direkt beeinflusst. Ihre Erkenntnisse könnten für verschiedene Bereiche von Bedeutung sein, darunter Zellbiologie und Halbleiterherstellung. Die Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.

Bei der Phasentrennung entsteht eine Emulsion aus Flüssigkeitsgemischen mit mehreren Komponenten – ein Effekt, der auch beim griechischen Likör Ouzo beobachtet werden kann, der bei Zugabe von Wasser trübe wird. Darüber hinaus findet Phasentrennung in vielen anderen Bereichen statt, etwa bei der Wolkenbildung am Himmel oder der molekularen Kondensation in biologischen Zellen. Normalerweise erfordert die Phasentrennung den Kontakt mit festen Teilchen, da die Benetzung ihrer Oberflächen die hierfür erforderliche Energiemenge senkt.

Wissenschaftler*innen vom MPI-DS um Stefan Karpitschka fanden nun heraus, dass nicht nur die Benetzung die Phasentrennung antreibt, sondern auch umgekehrt die Phasentrennung die Benetzung. Normalerweise bewirken klassische Kräfte wie Schwerkraft oder Kapillarität die Ausbreitung von Flüssigkeiten. Doch auch die Phasentrennung treibt die Benetzung der Oberfläche aktiv an, manchmal sogar viel schneller als klassische Kräfte. „Dies ermöglicht es technisch, dünne Filme komplexer Flüssigkeiten auf Oberflächen zu beeinflussen, zum Beispiel bei Herstellungsprozessen, die einen Phasenwechsel beinhalten“, erklärt Stefan Karpitschka, Gruppenleiter am MPI-DS.

Phasentrennung beeinflusst Flüssigkeitsausbreitung

Um die Auswirkungen der Phasentrennung auf die Ausbreitung von Flüssigkeiten zu ermitteln, untersuchten die Forscher Tröpfchen von Flüssigkeitsgemischen auf festen Oberflächen. Youchuang Chao, Erstautor der Studie, beschreibt die wichtigsten Ergebnisse: „Wir beobachteten ein unerwartetes Phänomen im Vergleich zu den bekannten Ausbreitungsgesetzen für Flüssigkeiten aus nur einer Komponente. Die Phasentrennung findet am Rand des Tröpfchens statt, wodurch sich die flüssigen Komponenten auf diesen speziellen Bereich konzentrieren und so chemische Prozesse gesteuert werden können.“ Diese Ergebnisse belegen die starke Kopplung zwischen der dynamischen Benetzung und der Phasentrennung auf molekularer Ebene.

Die neuen Erkenntnisse der Studie könnten somit die Entwicklung neuer Strategien für die Bearbeitung und Veredlung von Oberflächen beflügeln. Dazu gehören die Ölrückgewinnung von Oberflächen sowie Anwendungen in der Produktion von Mikrochips und Halbleitern.

Quelle: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation