Ein Forschungsteam der Technischen Universität Darmstadt hat das Verdunstungsverhalten von Flüssigkeitstropfen mit neuem Detailreichtum untersucht. Im Zentrum der Studie stand ein Gemisch aus Glycerin und Wasser – ein System, das unter anderem bei Tinten für Tintenstrahldrucker verwendet wird. Das Phänomen, bei dem Partikel im Tropfen an den Rand transportiert und dort abgelagert werden, ist als Kaffeering-Effekt bekannt. Die neuen Erkenntnisse könnten zu Verbesserungen in Bereichen wie 3D-Druck, Kühltechnologie oder Beschichtungsverfahren führen.
Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) veröffentlicht. Mithilfe spektroskopischer Methoden – Magnetresonanz-Tomographie (MRI) und Raman-Mikroskopie – gelang es den Forschenden, die Transportvorgänge im Inneren der Tropfen ohne verfälschende Zusatzstoffe zu beobachten. Diese interdisziplinäre Arbeit vereinte Fachwissen aus Chemie und Materialwissenschaften.
Tropfenverhalten unter der Lupe
Das Ziel der Untersuchung war ein präziseres Verständnis der Strömungen im Tropfeninneren während des Verdunstungsprozesses. Dabei zeigte sich, dass die Kombination aus MRI und Raman-Mikroskopie besonders aussagekräftige und detailgenaue Daten liefert. Während die MRI-Kartierung ein vollständiges Bild des Tropfenquerschnitts ergab, erlaubte die Raman-Mikroskopie eine punktgenaue Analyse einzelner Tropfenbereiche.
„Die Konzentrationsverteilungen innerhalb des Tropfens konnten ohne den Einsatz von Markern erfasst werden. So konnten wir den Transportvorgängen im Tropfen unverfälscht auf den Grund gehen“, erklärt das Forschungsteam der TU Darmstadt. Beide Methoden ergänzten sich optimal und bestätigten sich gegenseitig in ihrer Aussagekraft. Die Resultate stimmen zudem weitgehend mit Simulationen anderer Forschungseinrichtungen überein.
Interdisziplinäre Zusammenarbeit für chemisches Verständnis
Die Studie entstand in enger Zusammenarbeit zwischen den Gruppen „Physics of Surfaces“ des Fachbereichs Materialwissenschaften und „Organische Strukturanalytik“ des Fachbereichs Chemie. Während das chemische Team für die MRI-Messungen und die Analyse der Tropfen-Substrat-Interaktion zuständig war, führten die Materialwissenschaftler:innen die Raman-Mikroskopie durch und modellierten die optischen Eigenschaften an der Tropfenoberfläche.
Die Erkenntnisse eröffnen neue Wege für Anwendungen, bei denen kontrollierte Verdunstungsvorgänge eine Rolle spielen – insbesondere im 3D-Druck, bei Tintenformulierungen oder in der Kühl- und Beschichtungstechnologie. Die TU-Forschung liefert so wichtige Grundlagen für technische Entwicklungen in zahlreichen Industriebereichen.
Originalpublikation: Erb, Alexander, Stark, Robert W. und Thiele, Christina M.: „Visualization and quantification of local concentration gradients in evaporating water/glycerol droplets with micrometer resolution“, in: „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (Issue: Vol. 122, Iss. 0),DOI: 10.1073/pnas.2423660122
