Warum Wasser auf Teflon perlt und auf Glas verläuft: Wissenschaftler finden molekulare Ursache

Forscher des Instituts für Industriewissenschaften der Universität Tokio haben ein jahrzehntelanges Rätsel über das Verhalten von Wassertropfen auf verschiedenen Oberflächen gelöst. Eine in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichte neue Studie erklärt die Bewegung von Wasser im Nanomaßstab auf molekularer Ebene. Diese Entdeckung klärt fundamental, warum Wasser auf hydrophoben Oberflächen wie Teflon Perlen bildet und auf hydrophilen Oberflächen wie Glas in einer dünnen Schicht verläuft. Dies berichtet Ixbt.com Nachrichten berichtet.

Normalerweise wird die Wechselwirkung einer Flüssigkeit mit einer Oberfläche durch die Gesetze der klassischen Physik erklärt. Wenn es jedoch um extrem kleine Tropfen im Nanometerbereich geht, liefern traditionelle Theorien nicht immer die erwarteten Ergebnisse. Physiker konnten lange Zeit nicht verstehen, warum die Linienzugkraft — eine Kraft, die nur im Nanomaßstab signifikant ist — während des Prozesses der vollständigen Oberflächenbenetzung ihr Vorzeichen (ihre Richtung) ändert.

Die Rolle der Wasserstoffbrückenbindungen

Eine Gruppe unter der Leitung des Hauptautors der Studie, Mohd Moid, führte Computersimulationen mittels Molekulardynamik durch. Es stellte sich heraus, dass Wasserstoffbrückenbindungen in flüssigem Wasser eine lokale tetraedrische Struktur bilden, wobei jedes Wassermolekül vorübergehend mit vier Nachbarn verbunden ist. Die Wissenschaftler beobachteten genau, wie die Änderung dieser Struktur das Ausbreiten von Wasser auf einer Oberfläche beeinflusst.

Den Forschungsergebnissen zufolge wird diese tetraedrische Struktur an der Tropfengrenze zerstört, wenn eine Oberfläche vollständig benetzt wird. Genau dieser Zustand verursacht die Änderung des Vorzeichens der Linienzugkraft. Das bedeutet, dass die interne Ordnung zwischen den Wassermolekülen der entscheidende Faktor ist, der bestimmt, wie schnell und weit sich Wasser über eine Oberfläche ausbreitet.

Ein Faktor, der wichtiger ist als die chemische Zusammensetzung

Interessanterweise führten die Forscher auch Experimente auf einer zweischichtigen Eisschicht auf einer hydrophilen (wasseranziehenden) Oberfläche durch. Es stellte sich heraus, dass diese Eisschicht nicht verläuft, obwohl die chemischen Eigenschaften der Oberfläche dazu neigen, Wasser anzuziehen. Dies bedeutet, dass die lokale strukturelle Anordnung des Wassers einen stärkeren Einfluss haben kann als die chemische Zusammensetzung des Materials.

Diese Entdeckung ist nicht nur von theoretischer Bedeutung. Es wird erwartet, dass das Verständnis dieses empfindlichen Gleichgewichts zwischen einer Flüssigkeit und einer festen Oberfläche mehrere praktische Bereiche revolutionieren wird. Insbesondere werden diese Daten in Kühlsystemen für Mikroelektronikgeräte, bei der Flüssigkeitsbewegung in biologischen Systemen und bei der Entwicklung einer neuen Generation wasserabweisender Materialien Anwendung finden.

Nature Physics stellt fest, dass die Struktur der inneren Flüssigkeitsschicht als einer der wichtigsten Faktoren für den Grad der Benetzung anerkannt wurde. Ingenieure und Wissenschaftler können nun bei der Gestaltung von Oberflächen nicht nur deren chemische Beschichtung, sondern auch die geometrische Anordnung der Wassermoleküle beim Kontakt mit dieser Oberfläche berücksichtigen.