Neue Einblicke in das Verhalten von Wasser auf hydrophoben Oberflächen

Ein Wassertropfen auf einer wasserabweisenden, DWR-beschichteten Oberfläche. (Brocken Inaglory / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0)
Ein Wassertropfen auf einer wasserabweisenden, DWR-beschichteten Oberfläche. (Brocken Inaglory / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0)

Wissenschaftler haben wertvolle Einblicke in das Verhalten von Wasser auf stark hydrophoben (wasserabweisenden) Oberflächen gewonnen. Dieses Verhalten zu verstehen, sollte Forschern helfen, neue Oberflächenarten mit Anwendungsmöglichkeiten zu entwickeln, die von Textilien bis hin zu Operationsbesteck reichen.

Im Rahmen einer GW4 Collaboration nutzten Professor Nigel Wilding und Professor Robert Evans von der University of Bristol den High Performance Computer der University of Bath, um die Eigenschaften von Wasser auf hydrophoben Oberflächen auf molekularer Ebene zu simulieren.

Die Forschungsarbeit wurde am 2. Juli 2015 im Journal Physical Review Letters veröffentlicht und zeigt, dass die Physik von wasserabweisenden Oberflächen durch ein Phänomen kontrolliert wird, das als kritische Trocknung bezeichnet wird.

Wenn Wasser auf eine hydrophobe Substanz gelangt, reduziert es seinen Kontakt mit der Substanz, indem es einen Tropfen bildet – wie Regen auf einem frisch gewachsten Auto. Je wasserabweisender eine Oberfläche ist, desto größer wird der Kontaktwinkel zwischen dem Tropfen und der Oberfläche, was den Tropfen runder macht.

Für extrem wasserabweisende Oberflächen beträgt der Kontaktwinkel 180 Grad: Der Tropfen besitzt eine kugelförmige Gestalt und wir sagen, dass die Substanz “trocken” ist. “Bisher war die Natur des Trockenzustands nur schlecht verstanden”, erklärte Professor Wilding.

“Unsere Simulationen haben ergeben, dass es sich um ein Beispiel für ein oberflächenkritisches Phänomen handelt. Das liegt daran, dass die Kompressibilität von Wasser nahe der Oberfläche Richtung unendlich geht, wenn sich der Kontaktwinkel 180 Grad nähert”, sagte Wilding.

“Auf mikroskopischer Ebene bedeutet das, dass die Dichte der Wassermoleküle nahe der Oberfläche starke Fluktuationen erfährt: Manche Regionen haben eine flüssigkeitsähnliche Dichte, während andere eine viel geringere, dampfähnliche Dichte haben werden. Wir haben gezeigt, dass kritische Trocknung diese Dichtefluktuationen in der Nähe hydrophober Oberflächen erzeugt, sogar bei Kontaktwinkeln, die viel kleiner als 180 Grad sind”, ergänzte Wilding.

Quelle: http://www.bath.ac.uk/physics/news/research-clarifies-physics-of-water-repelling-surfaces.html

(THK)

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