Wenn Flüssigkeitströpfchen traditionell mit einer Oberfläche in Kontakt kommen, bleiben sie entweder daran haften, lösen sich ab oder prallen ab. Zu verstehen, wie Tröpfchen auf bestimmte Oberflächen reagieren, ist für die Enteisung von Eisregen, die Entwicklung hochwertiger thermischer Spritzbeschichtungen und die Schaffung eines effektiven Additivprozesses mit geschmolzenem Metall sehr wichtig.

Jetzt ein Team von MIT-Forschern gezeigt hat dass die Haftung eines gefrierenden Tropfens durch Anpassung der thermischen Eigenschaften einer Oberfläche gesteuert werden kann.

Die Forschung wurde von einem außerordentlichen Professor für Maschinenbau am MIT durchgeführt Kripa Varanasi, ehemaliger Postdoc Jolet de Ruiter und Postdoc Dan Soto.

Das Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

„Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Steuerung der thermischen Eigenschaften der Oberfläche das Ergebnis beeinflusst, ob ein gefrierender Tropfen an einer Oberfläche haften bleibt oder sich von dieser ablöst“, sagte Varanasi.

„Dieser Ansatz ist überall dort sehr wichtig, wo gefrierende Tropfen auf eine Oberfläche treffen, beispielsweise bei Vereisung, thermischen Spritzern usw.“

Die Forschung könnte bei 3D-Druckverfahren von Nutzen sein, bei denen Tröpfchen an Oberflächen haften müssen, sodass jede gedruckte Schicht an der vorherigen Schicht haftet. Es könnte verhindern, dass gefrorene Tröpfchen an Flugzeugflügeln, Windkraftanlagen und Stromleitungen haften bleiben, und wäre auch bei der Abfallentsorgung und Reinigung von additiven Fertigungs- und thermischen Spritzverfahren nützlich.

In der Studie testeten die Forscher, wie Tropfen geschmolzenen Metalls auf Glas und Silizium gefrieren.

Laut Varanasi verwendeten sie „eine Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera, um die Temperatursignatur an der Grenzfläche zwischen den beiden Körpern während des Aufpralls aufzuzeichnen“.

Aus der Studie habe das Team „etwas sehr Interessantes herausgefunden“, sagte Varanasi eine Aussage.

„Wir hatten zwei Substrate mit ähnlichen Benetzungseigenschaften [der Tendenz, sich entweder auszubreiten oder auf einer Oberfläche abzuperlen], aber unterschiedlichen thermischen Eigenschaften.“

Auch wenn dies im Widerspruch zum herkömmlichen Denken steht, war die Art und Weise, wie die Tröpfchen mit den Oberflächen interagierten, je nach Beschaffenheit der Oberfläche völlig unterschiedlich. Auf Silizium, einem effizienten Wärmeleiter, fielen die Tröpfchen sofort ab. Wenn die Tröpfchen auf das Glas treffen, das als Wärmeisolator bezeichnet wird, bleiben sie hängen.

In weiteren Fällen stellten die Forscher fest, dass sich die Tröpfchen zusammenrollten und sich von der Oberfläche lösten. Dies demonstriert einen Prozess namens Selbstpeeling.

Die Studie lieferte den Forschern einen völlig neuen Ansatz zum Verständnis der Wechselwirkung einer Flüssigkeit mit Oberflächen.

„Es bietet uns neue Werkzeuge, um das Ergebnis solcher Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Feststoff zu kontrollieren“, sagte Varanasi in einer Erklärung.

In dem Experiment wurde geschmolzenes Metall verwendet, da es häufig in industriellen Prozessen verwendet wird, beispielsweise bei der thermischen Spritzbeschichtung von Turbinenschaufeln und vielen anderen Maschinenteilen. Wie gut jeder Tropfen auf der Oberfläche von Maschinenteilen haftet, hat großen Einfluss auf die Menge und Gleichmäßigkeit der thermischen Spritzbeschichtung.

„[D]ie Art und Weise, wie Tröpfchen auftreffen und Spritzer bilden, bestimmt die Integrität der Beschichtung selbst“, sagte Varanasi in einer Erklärung.

„Wenn es nicht perfekt ist, kann es enorme Auswirkungen auf die Leistung des Teils haben, beispielsweise einer Turbinenschaufel. Unsere Erkenntnisse werden ein völlig neues Verständnis dafür liefern, wann Dinge hängen bleiben und wann nicht.“

Forscher planen, die aus dieser Studie gewonnenen Informationen zu nutzen, um eine Möglichkeit zu entwickeln, die thermischen Eigenschaften eines Materials anzupassen.

„Wir können uns Szenarien vorstellen, in denen die thermischen Eigenschaften in Echtzeit durch elektrische oder magnetische Felder angepasst werden können, wodurch die Klebrigkeit der Oberfläche gegenüber auftreffenden Tröpfchen angepasst werden kann“, sagte Soto in einer Erklärung.

In Zukunft werden die Forscher diese Forschung vorantreiben, um die Klebeeigenschaften weiterer Flüssigkeiten zu untersuchen.

„Da wir nun eine neue Methode zur Kontrolle des Anhaftens gefrierender Tröpfchen etabliert haben, können wir uns vorstellen, dieses Wissen zu nutzen, um intelligente Substrate zu entwickeln, die sich auf ihre thermischen Eigenschaften konzentrieren.“ sagte Varanasi.

„Eine weitere Richtung, die noch erforscht werden muss, ist die Ausweitung dieses Phänomens auf andere Flüssigkeiten wie Thermoplaste, Tinten, Wachs und Wasser, was großes Interesse weckt.“