Dienstag, 13. August 2013

Studie: Wie entstehen die Tropfen auf der Suppe

Gemeinsame Pressemeldung der Universität des Saarlandes und der Technischen Universität Berlin

Betrachtet man einen Teller Hühnersuppe, fallen einem sofort die kleinen, glänzenden Fettaugen auf, die oben auf der Suppe schwimmen. Obwohl uns dieses alltägliche Phänomen so vertraut erscheint, weiß man bislang nur wenig darüber, wie diese Fettaugen entstehen. In einer Studie haben Physiker der Saar-Uni um Professor Ralf Seemann und Mathematiker um Professorin Barbara Wagner von der Technischen Universität Berlin und dem Weierstraß-Institut untersucht, wie solche flüssigen Tropfen zustande kommen. Die Ergebnisse, die nun im renommierten European Physical Journal veröffentlicht wurden, zeigen, dass die Bildung der Tropfen von den Eigenschaften der Flüssigkeit und der Dicke der Flüssigkeitsschicht abhängt, auf der sie schwimmen.


Wir alle kennen die kleinen Fetttropfen, die auf einer Suppe oder auch auf Wasseroberflächen schwimmen. „Sie entstehen aus einem anfänglich gleichmäßigen Ölfilm“, erklärt Physik-Professor Ralf Seemann von der Universität des Saarlandes. Wie bei allen natürlichen Systemen streben auch die Öltropfen an, einen Zustand des Gleichgewichts zu erreichen. „Hat sich dies eingestellt, haben die Fettaugen eine linsenähnliche Form, die durch die Oberflächenspannungen der beteiligten Grenzflächen bestimmt ist“, berichtet er weiter.

Das Team von Ralf Seemann ist zusammen mit Berliner Mathematikern um Professorin Barbara Wagner der Frage nachgegangen, wie Tröpfchen, die auf einer nicht-mischbaren Flüssigkeit schwimmen, entstehen. Die Wissenschaftler haben hierzu zunächst beobachtet, wie sich die Form eines Tropfens im Laufe der Zeit verändert. „Um dies präzise zu messen, haben wir unsere Versuche mit nicht-mischbaren Polymerschmelzen durchgeführt“, erläutert der Professor. Diese Schmelzen besitzen temperaturabhänige Viskositäten, die für die Untersuchungen besser geeignet sind als zum Beispiel Wasser; so können sie 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.“

Die Forscher konnten in ihrer Studie zeigen, dass ein sich bildender Tropfen ein Strömungsprofil verursacht, das noch tief in der darunterliegenden Flüssigkeit zu spüren ist. „Daher hängen die dynamische Tropfenform und die Zeit, in der sich der Tropfen bildet, empfindlich von der Viskosität und der Dicke der darunterliegenden Flüssigkeitsschicht ab“, kommentiert der Saarbrücker Physiker die Ergebnisse. „Die Tropfen entwickeln schon zu einem vergleichsweise frühen Zeitpunkt eine Form, die nicht mehr von ihrem Anfangszustand, sondern nur noch von ihrem Volumen abhängt. Dies zeigen unsere numerischen Simulationen der dazu entwickelten mathematischen Modelle“, berichtet Professorin Barbara Wagner von der Technischen Universität Berlin und dem Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik. Im weiteren Verlauf sind die unterschiedlichen Tropfen in ihrer Form nicht mehr zu unterscheiden. Ist zusätzlich noch die untere Flüssigkeitsschicht sehr dünn, so können die Tropfen ihre Übergangsformen sogar beibehalten, ohne je ihre Gleichgewichtsform zu erreichen.

Die Arbeit der Saarbrücker und Berliner Forscher wurde im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Transport Processes at Fluidic Interfaces“ (SPP 1506), das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt wird, angefertigt.

Die Studie wurde im renommierten „European Physical Journal“ veröffentlicht:
Stefan Bommer, Florian Cartellier, Sebastian Jachalski, Dirk Peschka, Ralf Seemann, and Barbara Wagner: „Droplets on liquids and their journey into equilibrium”.
DOI: 10.1140/epje/i2013-13087-x

Die Studie ist abrufbar unter: http://link.springer.com/article/10.1140/epje/i2013-13087-x

Eine Grafik, die zeigt, wie sich ein Tropfen im Laufe der Zeit entwickelt, finden Sie unter www.uni-saarland.de/pressefotos. Bitte beachten Sie die Nutzungsbedingungen.

Fragen beantworten:

Prof. Dr. Ralf Seemann
Experimentalphysik
Universität des Saarlandes
Tel.: +49 0681  302-71799
E-Mail: r.seemann(at)physik.uni-saarland.de
www.uni-saarland.de/fak7/seemann/

Prof. Dr. Barbara Wagner
Institut für Mathematik
Technische Universität Berlin
Tel: +49 030 314  22246
E-Mail: bwagner(at)math.tu-berlin.de