Tröpfchen vollbringen waghalsige Kunststücke auf Gel-Oberflächen
Willkommen in der erstaunlichen Welt der Weichsubstrate. Diese Materialien bestehen aus Siliziumgelen und haben die gleiche Textur wie Panna Cotta – allerdings ohne den köstlichen Geschmack. Sie werden in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, insbesondere in der pharmazeutischen Industrie, da ihre biokompatiblen und antiadhäsiven Eigenschaften sie resistent gegen Korrosion und bakterielle Kontamination machen. Diese Substrate sind so weich, dass sie durch die Kapillarkräfte, die an den Rändern der Tröpfchen auftreten, (reversibel) verformt werden können, wenn man sie auf ihre Oberfläche setzt. Allerdings bewegen sich die Tröpfchen auf diesen Oberflächen sehr langsam. Um zu fliessen, müssen die Tröpfchen die Substrate dynamisch verformen und den Widerstand überwinden, der durch die viskoelastischen Eigenschaften des Substrats entsteht. Ein millimetergrosses Tröpfchen, das sich auf einem senkrecht stehenden Substrat befindet, fliesst nur mit einer Geschwindigkeit von einigen hundert Nanometern pro Sekunde bis zu einigen Dutzend Mikrometern pro Sekunde. Mit anderen Worten: Das Tröpfchen bräuchte drei Stunden, um sich nur einen Meter zu bewegen! Dieser Verlangsamungseffekt wird als viskoelastisches Bremsen bezeichnet und ist ein grosses Hindernis für den breiteren Einsatz von weichen Substraten, insbesondere in der Fertigung.
Eine neue Geometrie
Die EPFL-Wissenschaftler nutzten eine Methode, die bei Benetzungsprozessen bereits weit verbreitet ist: Sie veränderten die Oberflächentextur eines Substrats so, dass es superhydrophob wird. Konkret bedeckten sie eine Gel-Oberfläche mit winzigen Säulen von 100 µm Höhe und 100 µm Breite, so dass die auf dem Gel platzierten Tröpfchen nur auf den Säulenspitzen liegen - ähnlich wie ein Draufgänger, der auf einem Nagelbett läuft. Beim Betrachten der Tröpfchen durch ein konfokales Mikroskop sahen die Wissenschaftler, dass sich die Säulen verformen, wenn sich die Tröpfchen ihnen entlang bewegen. Darüber hinaus war die Grösse der festen Verformung fast die gleiche wie auf einer flachen Gel-Oberfläche, was bedeutet, dass die Tröpfchen tatsächlich von den Hunderten von winzigen Säulen gehalten werden. Und obwohl die Verformungsgrössen so nah beieinander lagen, bewegten sich die Tröpfchen mit der gleichen Geschwindigkeit wie auf einer harten Oberfläche.
«Diese veränderten Texturen 'killen' den viskoelastischen Bremseffekt, obwohl es eine relativ grosse Kontaktfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Festkörper gibt», sagt Martin Coux, einer der Autoren der Studie, zusammen mit Prof. John Kolinski: «Aufgrund der einzigartigen Geometrie der Kontaktpunkte zwischen der Flüssigkeit und dem Festkörper, die leicht über die Substratoberfläche erhaben sind, nehmen die Tröpfchen Konfigurationen an, die sie auf einer weichen Oberfläche normalerweise nicht einnehmen könnten.» Mit Hilfe des Hochgeschwindigkeitsmikroskops des EMSI konnten die Wissenschaftler dieses bisher unbekannte Phänomen der fundamentalen Physik beobachten und verstehen.
Es ist erwähnenswert, dass all dies auf einer mikrometrischen Skala geschieht (die Verformungen des Festkörpers liegen in der Grössenordnung von 1-100 µm). «Dank der Fortschritte in der Beobachtungstechnologie in den letzten zehn Jahren können die Forschenden jetzt die Verformungen sehen, die auftreten, wenn Flüssigkeiten mit weichen Substraten in Kontakt kommen – und zwar nicht nur statisch (wenn die Tröpfchen stationär sind), sondern auch dynamisch, wenn die Tröpfchen auf der Oberfläche fliessen», sagt Coux. Diese neue Fähigkeit hat den auf Strömungsmechanik spezialisierten Physikern Auftrieb gegeben, ihr Verständnis der elastokapillaren Wechselwirkungen zwischen weichen Substraten und Flüssigkeiten beschleunigt und die EPFL-Forscher auf den Weg ihrer bahnbrechenden Entdeckung gebracht.
