Bessere Dosierung 21.07.2015, 08:51 Uhr

Verhalten von Tropfen in Tinte oder Blut enträtselt

Forscher der Saar-Universität haben enträtselt, wie sich die Tropfen in komplexen Suspensionen wie Druckertinte genau verhalten. Mit diesem Wissen könnten viele technische Verfahren verbessert werden, von der Kosmetikproduktion bis zur Dosierung von Medikamenten. 

Die richtige Dosierung von Flüssigkeiten ist eine kniffelige Aufgabe. Jetzt haben Forscher der Universität des Saarlandes herausgefunden, wovon die Tropfenbildung und Dosierung beeinflusst wird.

Die richtige Dosierung von Flüssigkeiten ist eine kniffelige Aufgabe. Jetzt haben Forscher der Universität des Saarlandes herausgefunden, wovon die Tropfenbildung und Dosierung beeinflusst wird.

Foto: Martin Gerten/dpa

Suspensionen sind Flüssigkeiten, in denen Feststoffteilchen schweben. Blut, Saft, Tinte und vieles mehr gehören dazu. Die winzigen Teilchen sind essenziell, aber sie sorgen auch für Probleme bei der präzisen Dosierung oder Verteilung der Suspension. Welche genau, das konnten Physiker der Universität des Saarlandes und der Hochschule für angewandte Physik und Chemie in Paris jetzt gemeinsam nachweisen.

Für ihren Versuch verdünnten Prof. Christian Wagner und sein Team in Saarbrücken eine Suspension und brachten sie zwischen zwei Platten, die anschließend auseinandergezogen wurden. Diese Bewegung und das Verhalten der Flüssigkeit beobachteten sie mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras und hochauflösenden Mikroskop-Objektiven.

Professor Christian Wagner mit der Apparatur, die bei den Tropfen-Experimenten zum Einsatz kam.

Professor Christian Wagner mit der Apparatur, die bei den Tropfen-Experimenten zum Einsatz kam.

Foto: Claudia Ehrlich/Universität des Saarlandes

Das Ergebnis: Beim Auseinanderziehen entstehen fadenförmige Gebilde, die Brücken ähneln. Einzelne Partikel darin stören die Oberfläche der Flüssigkeit und beulen sie regelrecht aus. Gleichzeitig beeinflussen die Teilchen die Krümmung der Oberfläche. „Dadurch erhöht sich der kapillare Druck, der Ablöseprozess wird beschleunigt, denn die Oberflächenspannung strebt an, die Oberfläche zu verkleinern. Schließlich reißt der Tropfen ab“, erklärt Wagner.

Tropfverhalten kann optimiert werden

Daraus folgt, dass Größe und Verteilung der Feststoff-Teilchen einen großen Einfluss auf das Tropfverhalten der Suspension haben. Eine Erkenntnis, die zunächst nicht sehr überraschend wirkt.

Die Forscher aber haben diesen Prozess nach eigenen Angaben erstmals überhaupt in einer komplexen Flüssigkeit nachgewiesen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen könnten die entscheidenden Parameter – eben Größe und Verteilung der Teilchen – so geändert werden, dass das Tropfverhalten optimiert wird.

Viele praktische Anwendungsmöglichkeiten

Wie genau diese Steuerung funktionieren kann, haben die Forscher nicht ermittelt. Ihnen ging es zunächst darum zu demonstrieren, wie der Prozess exakt abläuft. Die Anwendungsmöglichkeiten seien jedenfalls vielfältig, sagt der Leiter der Forschungsgruppe.

Blick in ein Tropfen-Experiment: Die Forscher konnten erstmals belegen, dass Feststoff-Teilchen in Suspensionen den Tropfvorgang auslösen und beschleunigen. Die fünf Aufnahmen der Hochgeschwindigkeits-Kamera zeigen oben - von links nach rechts - einen Tropfvorgang: Das fadenförmige Gebilde entsteht, wenn die Platten mit der Suspension auseinandergezogen werden. Gut zu erkennen sind die Festkörper-Teilchen, die wie Kügelchen darin schweben. Sie stören die Oberfläche der Flüssigkeit, beulen sie aus und behindern die Strömung der Flüssigkeit innen wie außen. Gleichzeitig beeinflussen sie die Oberflächenkrümmung, der kapillare Druck erhöht sich und der Ablöseprozess wird beschleunigt. Zum Vergleich zeigt das untere Bild das Experiment mit Silikonöl, das keine Festkörper-Teilchen enthält.

Blick in ein Tropfen-Experiment: Die Forscher konnten erstmals belegen, dass Feststoff-Teilchen in Suspensionen den Tropfvorgang auslösen und beschleunigen. Die fünf Aufnahmen der Hochgeschwindigkeits-Kamera zeigen oben – von links nach rechts – einen Tropfvorgang: Das fadenförmige Gebilde entsteht, wenn die Platten mit der Suspension auseinandergezogen werden. Gut zu erkennen sind die Festkörper-Teilchen, die wie Kügelchen darin schweben. Sie stören die Oberfläche der Flüssigkeit, beulen sie aus und behindern die Strömung der Flüssigkeit innen wie außen. Gleichzeitig beeinflussen sie die Oberflächenkrümmung, der kapillare Druck erhöht sich und der Ablöseprozess wird beschleunigt. Zum Vergleich zeigt das untere Bild das Experiment mit Silikonöl, das keine Festkörper-Teilchen enthält.

Foto: Arbeitsgruppe Christian Wagner

Überall da, wo Suspensionen zum Einsatz kommen, könnten die Verfahren optimiert werden: bei Beschichtungen von Metallen, Kunststoffen oder vielen anderen Materialien ebenso wie in Druckverfahren, bei denen die präzise Farbverteilung die Qualität des Ergebnisses bestimmt. Aber auch die Kosmetikindustrie könne von den Resultaten profitieren. Nicht zuletzt bei der Herstellung von Medikamenten könnten die einzelnen Wirkstoffe noch genauer als bisher dosiert werden.

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