Die Reise der Fettaugen auf der Suppe
Die Entstehung von Tropfen auf der Oberfläche von nicht-mischbaren Flüssigkeiten ist ein alltägliches Phänomen. In einer Studie haben Mathematiker und Physiker gemeinsam versucht, die Reise der Tropfen auf ihrem Weg in einen Zustand des Gleichgewichtes nachzuvollziehen.
Fettaugen auf der Suppe sind ein Beispiel für Tropfenbildung auf der Oberfläche von nicht-mischbaren Flüssigkeiten. Diesem Phänomen haben sich jetzt Wissenschaftler noch einmal intensiv gewidmet.
Foto: Zott
Über die kleinen, glänzenden Fettaugen, die auf der Hühnersuppe schwimmen, macht sich der Hühnersuppenliebhaber nur wenig Gedanken. Eine Gruppe von Physikern und Mathematikern interessierte dieses alltägliche Phänomen jedoch so sehr, dass sie in einer Studie untersucht haben, wie solche flüssigen Tropfen zustande kommen.
Tropfen versuchen einen Zustand des Gleichgewichtes zu erreichen
Theorie und Praxis waren in der Studie, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt und jetzt im European Physical Journal veröffentlicht wurde, gleichermaßen gefragt. Die Mathematikprofessorin Barbara Wagner von der Technischen Universität Berlin lieferte das theoretische Modell und Physikprofessor Ralf Seemann von der Universität des Saarlandes führte die Versuche durch.
„Die kleinen Fetttropfen, die auf einer Suppe oder auch auf Wasseroberflächen schwimmen, entstehen aus einem anfänglich gleichmäßigen Ölfilm“, erklärt Ralf Seemann. Wie bei allen natürlichen Systemen streben auch die Öltropfen an, einen Zustand des Gleichgewichts zu erreichen. „Die Tropfen sind bestrebt, ihre Oberflächenspannung zu minimieren und dadurch in einen stabilen Zustand zu kommen. Hat sich dieses Gleichgewicht eingestellt, haben die Fettaugen eine linsenähnliche Form, die durch die Oberflächenspannungen der beteiligten Grenzflächen bestimmt ist.“
So entwickelt sich ein Tropfen: Die Entwicklung endet, wenn der Tropfen seine linsenfömige Gleichgewichtsform erreicht hat, oder wie in dem gezeigten Beispiel die untere Flüssigkeitsschicht sehr dünn ist. In diesem Fall bleibt der Tropfen instabil.
Quelle: AG Prof. Seemann/Saar-Uni
Für ihre Versuche haben die Wissenschaftler nicht-mischbare flüssige polymere Stoffe, so genannte Polymerschmelzen verwendet, die mit ihren temperaturabhängigen Viskositäten besser geeignet sind als Wasser. Außerdem können die Schmelzen auch eingefroren werden, ohne dass sie ihre Form verändern. „Damit die Gravitation die Ergebnisse nicht beeinflusst, haben wir die Experimente zudem an nur einem Mikrometer großen Tropfen durchgeführt. Diese sind circa 100-mal kleiner als das menschliche Haar“, erklärt Seemann.
Stabilität der Tropfen hängt von der darunterliegenden Flüssigkeitsschicht ab
In ihrer Studie konnten die Forscher zeigen, dass die Bildung der Tropfen von den Eigenschaften der Flüssigkeit und der Dicke der Flüssigkeitsschicht abhängen, auf der sie schwimmen. Bei dem Versuch der Tropfen, eine stabile Form einzunehmen, entsteht eine Bewegung, die wiederum ein Strömungsprofil verursacht, das noch tief in der darunterliegenden Flüssigkeit zu spüren ist. „Wir wussten, dass es dieses Strömungsfeld gibt, waren aber überrascht, dass es so tief in die untere Flüssigkeitsschicht hinunter reicht“, sagte Seemann gegenüber ingenieur.de.
Als Ergebnis ließe sich festhalten, dass „die dynamische Tropfenform und die Zeit, in der sich der Tropfen bildet, empfindlich von der Viskosität und der Dicke der darunterliegenden Flüssigkeitsschicht abhängt“, so Seemann. Je dicker die Flüssigkeitsschicht, desto schneller finden die Tropfen ins Gleichgewicht. Umgekehrt kann es möglich sein, dass bei einer sehr dünnen Schicht die Tropfen nicht in der Lage sind je ihre Gleichgewichtsform zu erreichen.
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