Seit dem 17. Jahrhundert haben die Tropfen von Prinz Rupert Wissenschaftler verwirrt. Die Tropfen werden durch Eintauchen einer Perle aus geschmolzenem Natronkalk- oder Flintglas in kaltes Wasser hergestellt, wodurch ein kaulquappenförmiges Stück Glas entsteht. Während der Kopf des Tropfens unglaublich stark ist und alles aushalten kann, vom Hammerschlag bis hin zu schnellen Kugeln, kann das Ganze schon durch einfaches Schnippen des Schwanzes des Kristalls in Pulver zerplatzen. Wie David Szondy von New Atlas berichtet, haben Forscher nun endlich die Geheimnisse hinter diesen Tropfen herausgefunden.
Bereits 1994 verwendeten die Forscher die Hochgeschwindigkeitsfotografie, um die Art und Weise, wie die Tropfen zerplatzen, aufzuzeichnen und zu analysieren, berichtet Lisa Zyga für Phys.org. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Oberfläche des Tropfens eine hohe Druckspannung aufweist, während das Innere des Tropfens unter hoher Spannung steht. Während diese Kombination den Kopf sehr stark macht, ist er nicht im Gleichgewicht, was bedeutet, dass selbst eine leichte Störung am Schwanz dazu führt, dass das Ganze destabilisiert und auseinanderfällt. Tatsächlich bewegen sich die Risse mit 4.000 Meilen pro Stunde, wodurch das Glas pulverisiert wird.
Erst mit den jüngsten technologischen Fortschritten konnten die Forscher die Spannungsverteilung im Detail untersuchen. Sie verwendeten ein Mikroskop, das als Transmissionspolariskop bekannt ist, um die Spannungen im Glas zu untersuchen. Indem sie rotes LED-Licht durch den Tropfen schickten, während er in eine klare Flüssigkeit getaucht war, konnten sie messen, wie die Spannungen im Tropfen das Licht verlangsamen. Der Gesamteffekt ist eine regenbogenfarbene optische Karte der Kräfte innerhalb des Tropfens. Mithilfe mathematischer Modelle berechneten die Forscher dann die verschiedenen inneren und äußeren Kräfte. Sie haben ihre Ergebnisse im vergangenen Jahr in der Zeitschrift Applied Physics Letters veröffentlicht.
Die Belastungen während des Prince Rupert's Drop (Aben et al./American Institute of Physics) Die Druckspannung um den Kopf des Tropfens wurde mit 29 bis 50 Tonnen pro Quadratzoll berechnet, wodurch das Glas so stark war wie einige Stahlsorten. Diese Stärke besteht jedoch nur in einer dünnen Schicht, die nur zehn Prozent des Kopfdurchmessers beträgt.
Um einen Tropfen zu brechen, muss ein Riss durch diese Schicht gelangen und die innere Spannungszone erreichen. Die äußere Schicht ist jedoch so stark, dass die meisten Risse nur ein Spinnennetz entlang der Oberfläche bilden. Der Schwanz ist jedoch eine andere Geschichte. Dieser dünne Streifen Glas kann leicht zerbrochen werden und stellt eine direkte Verbindung zu dieser empfindlichen inneren Spannungszone her. Wenn es zerbricht, zerbricht der Rest des Glases.
Die Bildung der Zonen der Stärke und der Schwäche hat damit zu tun, wie sich die Tropfen bilden. "Die Oberfläche der Tropfen kühlt schneller ab als das Innere, wodurch eine Kombination von Druckspannungen auf der Oberfläche entsteht und Zugspannungen im Inneren der Tropfen ausgeglichen werden", heißt es in der Pressemitteilung.
"Die Zugspannung verursacht normalerweise einen Materialbruch, ähnlich wie das Zerreißen eines Blattes Papier", sagt Koushik Viswanathan von der Purdue University, ein Autor des Papiers, in der Pressemitteilung. "Aber wenn man die Zugspannung in eine Druckspannung umwandeln könnte, könnten Risse nur schwer wachsen, und genau das passiert im Kopfteil der Tropfen des Prinzen Rupert."
Über diese Tropfen rätseln Forscher seit rund 400 Jahren. Sie wurden nach Prinz Rupert von Deutschland benannt, der dem Engländer Charles II. Fünf der seltsamen Tropfen schenkte. Seitdem haben Wissenschaftler versucht, herauszufinden, was die Tropfen so stark macht. Die Leute haben alles versucht, um diese verrückten Kaulquappen aus Glas zu zerbrechen, angefangen beim Tropfenschießen bis hin zum Quetschen in hydraulischen Pressen. Aber diese Experimente zeichnen sich nicht nur durch den Spaß am Zerstören der Strukturen aus (obwohl es ziemlich lustig ist, sie zu beobachten).
Wie Andrew Liszewski von Gizmodo berichtet, könnte das Lernen über die Tropfen zu neuen Arten von bruchsicherem Glas und vor allem zu unzerbrechlichen Handy-Bildschirmen führen.
