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American Institut of Physics publiziert mikroskopische Aufnahme

des ILK Dresden

Nur außergewöhnliche Aufnahmen schaffen es in die Druckausgabe der "physics today".

Physics Today 74, 8, 64 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4823

Diese mikroskopische Aufnahme aus dem ILK Dresden gehört jetzt dazu. Sie entstand in Kooperation mit der University of Science and Technology Wrocław (Polen) und der University of Padova (Italien) unter Federführung von Robert Mulka (UoW) und Matthias H. Buschmann (ILK Dresden). Der Trocknungsprozess eines 10 Mikroliter großen Tropfens einer Siliziumdioxidsuspension wurde mikroskopisch gefilmt. Am Ende des Prozesses zeigte sich das charakteristische, von vertrockneten Tee- oder Kaffeetropfen her bekannte, Ringmuster (coffee-ring pattern) mit einem Durchmesser von ca. 3 mm. Ziel der Untersuchung war es, die Ausbildung nanoporöser Beschichtungen von Verdampferflächen, zum Beispiel in Thermosyphons, besser zu verstehen.

Risse sind im täglichen Leben allgegenwärtig. Ihre Abmessung variiert über mehrere Größenordnungen, von 500 μm, wie im untersuchten Tröpfchen, bis hin zu dem 2017 entdeckten und 140 km langen Riss im Larsen-C-Schelfeis der Antarktis.

Robert Mulka, Matthias H. Buschmann und ihre Kollegen wollten die Rissbildung und den Prozess der Austrocknung genauer untersuchen. Zu diesem Zweck dosierten sie Tröpfchen einer wässrigen Siliziumdioxidsuspension (Partikelgröße ca. 70 nm) auf verschiedene metallische Substrate. Ein Mikroskop mit angeschlossener Kamera zeichnete den Trocknungsprozess unter Laborbedingungen auf.

Das publizierte Image zeigt das Endstadium des Trocknungsprozesses mit vollendeter Rissbildung. Deutlich sind der Kaffeering und die radialen Risse zu erkennen. Der äußere Rand des Tröpfchens zeigt tangentiale Spiralrisse. Letztere entstehen zuerst und induzieren die massiveren Radialrisse.

Das  Zusammenspiel von Marangonikonvektion, getrieben durch die Gradienten der Oberflächenspannung auf der Oberfläche des Tröpfchens und der Kapillarströmung im Inneren des Tröpfchens, transportiert die Siliziumdioxidpartikel zu dessen Rand und formt so den Kaffeering in der Siliziumdioxidbeschichtung. Mit deren fortschreitender Austrocknung bilden sich Zug- und Scherspannungen aus, die durch die Rissbildung abgebaut werden. Die Form der Risse hängt dabei von der lokalen Spannungsverteilung ab. Die Spiralrisse entstehen zunächst an zufälligen Stellen des Randes, wenn sich Teile der Siliziumdioxidbeschichtung vom Substrat ablösen. Die Radialrisse sind Ergebnis der Wechselwirkung von Kapillardruck und Scherspannung zwischen Siliziumdioxidschicht und Substrat.

(Mulka et al., 623, (2021) 126730, https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126730).  


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