Geheimnisvoll schöne Muster entstehen am Computerbildschirm, wenn an der TU Wien die Teilchenbahnen von winzigen Partikeln in einem Flüssigkeitstropfen berechnet werden. Die Oberflächenspannung ist die treibende Kraft hinter diesen Vorgängen. Mit Hilfe von Computerberechnungen bereitet man nun Experimente in Schwerelosigkeit vor, die auf der Raumstation ISS durchgeführt werden sollen. Diese Forschungen sollen ein besseres Verständnis von Flüssigkeitsströmen bringen.  Diese grundlegenden Untersuchungen könnten später beim Bau eines „Lab on a Chip“ wichtig werden, wenn es um die Manipulation kleinster Flüssigkeitsmengen geht, die mit Partikeln versetzt sind. Auch die Herstellung von Halbleiter-Kristallen wird durch solche Strömungen beeinflusst.

Strömungen, verursacht durch Oberflächenspannung
Die Oberflächenspannung sorgt nicht nur dafür, dass ein Wasserläufer über einen Teich spazieren kann ohne zu versinken und dass Wassertropfen im freien Fall eine runde Form annehmen. Die Oberflächenspannung kann auch für die Ströme im Inneren der Flüssigkeit verantwortlich sein.

„Wir studieren Flüssigkeitstropfen zwischen zwei zylindrischen Stäben mit unterschiedlicher Temperatur“, erklärt Prof. Hendrik Kuhlmann. Die Oberflächenspannung hängt von der Temperatur ab, daher ist sie auf den beiden Seiten des Tropfens unterschiedlich stark. Das kann einen Konvektionsstrom im Inneren des Tropfens verursachen – die Flüssigkeit beginnt intensiv zu zirkulieren.

Um diese Flüssigkeitsströme sichtbar zu machen, bringt man winzige Teilchen in den Tropfen ein und verfolgt ihre Bahn. Eigentlich sollten diese Teilchen dann genau dieselben Wege einschlagen wie die anderen Moleküle im Tropfen. Man könnte vermuten, dass sie sich gleichmäßig ausbreiten und so Aufschluss über das Strömungsverhalten in jedem einzelnen Punkt des Tropfens geben. Doch überraschenderweise verhalten sich die Teilchen oft ganz anders. Sie schließen sich zusammen und können verschiedene Muster bilden, wie zum Beispiel  ein geschlossenes und gewundenes Band, das im Tropfen rotiert.

Ein Kick von der Oberfläche
„Diese Bewegung hängt von vielen Parametern ab“, sagt Hendrik Kuhlmann, „etwa von der Teilchengröße, ihrer Dichte und von der Struktur der Strömung in der Flüssigkeit.“ Wie es zu dem Phänomen kommt, dass sich die Teilchen entmischen und eine geschlossene Struktur bilden, wird in Fachkreisen noch diskutiert. Der entscheidende Grund dafür dürfte auch wieder in der Oberflächenspannung liegen: Wenn die Teilchen klein sind und genau dieselbe Dichte haben wie die umgebende Flüssigkeit, dann folgt der Schwerpunkt jedes Teilchens einer bestimmten Stromlinie. Diese Stromlinien können der Oberfläche beliebig nahe kommen. Wird der Abstand der Stromlinie zur Oberfläche kleiner als der Radius des Teilchens, würde das Teilchen eigentlich ein Stück aus der Oberfläche herausragen. Dazu müsste das Teilchen aber die Oberflächenspannung überwinden.

Die Oberflächenspannung verhindert also, dass der Schwerpunkt des Teilchens der Oberfläche beliebig nahe kommen kann und übt in diesem Fall eine Kraft auf das Teilchen aus. „Genau diese Krafteinwirkung bewirkt, dass die Gesamtheit aller Teilchen wie auf einem Torus gewunden durch den ganzen Tropfen führt“, erklärt Hendrik Kuhlmann.

Die Berechnungen, mit denen sich solche Strömungsphänomene verstehen lassen, sind äußerst komplex. Die Flüssigkeitsströmung muss mit sehr hoher Auflösung berechnet werden, um die richtigen Ergebnisse zu erhalten. Ohne einen Großrechner wie den VSC wären solche Berechnungen nicht möglich.

Auf der internationalen Raumstation soll in den kommenden Jahren ein Experiment unter Schwerelosigkeit neue Einblicke in dieses Phänomen geben. Es ist wichtig, schon jetzt die Berechnungen dazu durchzuführen, um dann im Experiment genau zu wissen, bei welchen Parametern besonders interessante Effekte zu erwarten sind.

Auf die spannenden Phänomene der Strömungsmechanik auf kleinen Längenmaßstäben wurde man unter anderem durch Kristallzucht-Versuche aufmerksam. Seit einiger Zeit weiß man, dass bei der Kristallzucht aus der Schmelze Verunreinigungen periodisch in den Kristall eingebaut werden, wenn die Strömung in der Schmelze oszilliert. Besonders auf dem Gebiet der Mikrofluidmechanik ist das Zusammenspiel von Oberflächenspannung und Strömung wichtig:  Mit Mikro-Strömungen möchte man den Transport von kleinen Teilchen sowie ihre Vermischung und Entmischung kontrollieren.

„Ein wichtiges Ziel der Mikrofluidmechanik ist heute das ‚Lab on a Chip‘“, erzählt Hendrik Kuhlmann. Messmethoden können heute so miniaturisiert werden, dass sie auf einem kompakten Chip von oft nur wenigen Millimetern Größe untergebracht werden können. Dieser Chip ermittelt dann direkt in der Flüssigkeit wichtige Messgrößen. Dabei werden winzigste Fluidmengen gezielt transportiert und mit anderen Agenzien zur Reaktion gebracht.  Die Funktionsweise eines solchen Chips kann man nur mit Hilfe der Strömungsmechanik erklärt werden. Die Computersimulationen liefern also nicht bloß faszinierende Muster von Teilchenbahnen, sondern wichtige Erkenntnisse die in unterschiedlichen Technologien eine große Rolle spielen können.

Nähere Information:
Prof. Hendrik Kuhlmann
Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung
Technische Universität Wien
Resselgasse 3, 1040 Wien
T: +43-1-58801-32212
<link>hendrik.kuhlmann@tuwien.ac.at