Schlampige, schlammige Pfützen, die durch Sommerregenstürme entstanden sind, verdanken ihre Grenzen den Einbrüchen auf Asphalt oder Boden. Aber wenn ein Glas Wein auf eine (hypothetisch) vollkommen flache Arbeitsplatte tropft, was verhindert dann, dass sich die Pfütze für immer ausbreitet? Bisher konnte die Beschreibung der Flüssigkeitsströme durch die Physiker nicht erklären, warum Pfützen aufhören.
Forscher vom Massachusetts Institute of Technology haben die Antwort, berichtet Charles Q. Choi für Inside Science .
Mit dem klassischen Modell würden Physiker das Ausbreiten von Flüssigkeiten als Ergebnis eines "Wettbewerbs zwischen Schwerkraft und Oberflächenspannung" beschreiben, schreibt Choi. Die Schwerkraft zieht die Flüssigkeit nach unten und verteilt die Pfütze, während die Oberflächenspannung, bei der die Moleküle eng aneinander hängen, die Tropfen perlen lässt.
Während das klassische Modell verwendet werden kann, um die endgültige Form einer Pfütze zu erklären, erklärt es nicht, wie sich die Pfütze überhaupt ausgebreitet hat. Die Berechnungen implizieren stattdessen, dass die Kräfte am Rand der Pfütze zu stark wären, um sich überhaupt ausbreiten zu können. „Bei einer makroskopischen Betrachtung dieses Problems hindert nichts die Pfütze daran, sich auszubreiten. Hier fehlt etwas “, erklärt Amir Pahlavan, Doktorand am MIT, in einer Pressemitteilung.
Es ist klar, dass sich Pfützen ausbreiten. Physiker optimieren ihr Modell, um zu erklären, warum. Michael Schirber schreibt für APS Physics :
Eine beliebte Lösung ist die Annahme, dass ein dünner mikroskopischer Film die Oberfläche vor der Pfütze bedeckt. Solche Vorläuferfilme wurden für Pfützen beobachtet, die sich vollständig zu einer dünnen, flachen Schicht ausdehnen - der sogenannte Fall der vollständigen Benetzung -, aber sie können Pfützen nicht erklären, die sich über eine kurze Strecke ausbreiten und dann aufhören (teilweise Benetzung).
Jetzt haben Pahlavan und seine Kollegen herausgefunden, was die im Nanobereich wirkenden Pfützenkräfte aufhält. Die Forscher betrachteten einen Flüssigkeitsfilm mit einer Dicke von weniger als 100 Nanometern, in dem die sogenannte Van-der-Waals-Kraft zu wirken beginnt. Diese Wechselwirkung beschreibt ein Phänomen, bei dem die Elektronenwolke, die um ein Atom herumschwirrt, zufällig schwankt und ihre Ladung dazu neigt, sich in einem Bereich eines Moleküls anzuhäufen, wodurch leicht positive und leicht negative Bereiche entstehen. Benachbarte Moleküle tun dasselbe, mit dem Ergebnis, dass Moleküle entweder voneinander angezogen oder abgestoßen werden.
Diese Kräfte, die in der Flüssigkeit wirken, die Luft um die Pfütze und die Oberfläche, auf der die Pfütze sitzt, reichen aus, um die Pfütze unabhängig von ihrer Größe am Ausbreiten zu hindern. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Physical Review Letters .
Ihr Modell könnte eine Reihe von Anwendungen haben, von der Kühlung der Elektronik durch Überströmen von Flüssigkeit bis zur Speicherung von Kohlendioxid im Untergrund (einige Pläne sehen die Injektion einer mit Kohlendioxid beladenen Flüssigkeit in poröses Gestein vor). Für diese Anwendungen müssen die Forscher das Modell jedoch erweitern, um zu erklären, wie Flüssigkeiten über raue Oberflächen fließen. "Eine echte Oberfläche ist nie ganz flach und glatt", sagt Pahlavan zu Choi von Inside Science . "[T] hier ist immer eine gewisse Rauheit zu berücksichtigen, wodurch viele neue Funktionen entstehen."
