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28. Nov 2020

Auf den richtigen Winkel kommt es an

Aerosolphysiker erforschen Benetzungseigenschaften von Nanoteilchen bei der Wolkenentstehung

Eine wichtige Eigenschaft von Oberflächen ist ihre Benetzbarkeit durch Flüssigkeiten. Makroskopische Objekte wie Pflanzen sind im Zusammenhang mit der Kapillarität auf besonders gute Benetzbarkeit angewiesen, die Flugeigenschaft von Vögeln ist wiederum von möglichst geringer Benetzung der Flügel abhängig. Als Faustregel gilt: Gute Benetzbarkeit entspricht kleinen Kontaktwinkeln zwischen Oberfläche und Flüssigkeitstropfen. Die Benetzbarkeit hängt aber auch von Krümmungseigenschaften der beteiligten Oberflächen ab. Diese Effekte machen sich vorwiegend bei der Benetzung von Nanoteilchen bemerkbar, was z.B. bei der Wolkenentstehung eine Rolle spielt. Forschern der Universität Wien und des Brookhaven National Laboratory in New York ist es nun erstmals gelungen, Kontaktwinkel an Nanoteilchen direkt zu bestimmen. Dieser wichtige Beitrag zum Verständnis der Benetzbarkeit von Objekten im Nanometerbereich ist im renommierten Fachmagazin Scientific Reports erschienen.

Das Team um Paul Winkler konnte nun die Eigenschaften der Kontaktlinie und den (mikroskopischen) Kontaktwinkel aus Messungen heterogener Nukleation an kugelförmigen Nanopartikeln direkt bestimmen (Image copyright Universität Wien).

Das Team um Paul Winkler konnte nun die Eigenschaften der Kontaktlinie und den (mikroskopischen) Kontaktwinkel aus Messungen heterogener Nukleation an kugelförmigen Nanopartikeln direkt bestimmen (Image copyright Universität Wien).

Makroskopische Kontaktwinkel können mittels mehrerer unterschiedlicher Methoden gemessen werden. Dagegen gibt es kaum Informationen über Kontaktwinkel im mikroskopischen Bereich. Bei Tröpfchen in annähernd molekularem Größenbereich weisen die Randlinien der Tröpfchen (Kontaktlinien) derart hohe Krümmungen auf, dass durch molekulare Wechselwirkungen eine zusätzliche Kraft (entsprechend einer zugehörigen Linienspannung) auftritt, die zu Verzerrungen der Kontaktlinie führen kann. Dadurch können sich im mikroskopischen Bereich wesentliche Veränderungen von Kontaktwinkeln und Benetzungseigenschaften ergeben.

Ein Team um Paul Winkler von der Fakultät für Physik der Universität Wien und des Brookhaven National Laboratory, NY, U.S.A., konnte nun die Eigenschaften der Kontaktlinie und den (mikroskopischen) Kontaktwinkel aus Messungen heterogener Nukleation an kugelförmigen Nanopartikeln direkt bestimmen. Die Methode beruht auf der Bestimmung des Durchmessers des Nanopartikels, sowie des Krümmungsradius und des Volumens des flüssigen Clusters auf der Oberfläche des Nanopartikels. Die Ergebnisse sind nicht abhängig von einer speziellen Nukleationstheorie. Die (geodätische) Krümmung der Kontaktlinie wird mit Hilfe desselben Formalismus ermittelt, der auch in der allgemeinen Relativitätstheorie eingesetzt wird. Die Ergebnisse erlauben nun eine quantitative Beschreibung der heterogenen Nukleation an Nanoteilchen, wie sie unter anderem auch bei der Wolkenentstehung auftritt.

Hier zu sehen: Das Nanoteilchen mit Radius r_p und den Wassercluster (grau schattiert, Radius r*). Theta bezeichnet den Kontaktwinkel, Phi repräsentiert die Krümmung der Kontaktlinie (Image copyright: Universität Wien).

Hier zu sehen: Das Nanoteilchen mit Radius r_p und den Wassercluster (grau schattiert, Radius r*). Theta bezeichnet den Kontaktwinkel, Phi repräsentiert die Krümmung der Kontaktlinie (Image copyright: Universität Wien).

Konkret wurden mittels des SANC-Messsystems Nukleationswahrscheinlichkeiten für heterogene Nukleation von Wasserdampf auf der Oberfläche annähernd kugelförmiger Silberpartikel gemessen. SANC (Size Analysing Nuclei Counter) ist ein an der Aerosolphysik und Umweltphysik der Universität Wien entwickeltes prozessgesteuertes Messsystem. Ausgehend von einem präzise kontrollierten nahezu dampfgesättigten Aerosol wird eine räumlich homogene Dampfübersättigung erzielt, wobei Sättigungsverhältnis und Temperatur genau definiert sind. Die an den Aerosolpartikeln entstehenden Flüssigkeitströpfchen wachsen durch Kondensation des übersättigten Dampfes an. Durchmesser und Anzahl der Tröpfchen werden zu mehreren Zeiten während des Kondensationsvorganges berührungsfrei gemessen. Das SANC-System erlaubt unter anderem die Messung von Tröpfchenwachstumsraten und heterogenen Nukleationswahrscheinlichkeiten bei definierten thermodynamischen Bedingungen.

Publikation in “Scientific Reports”
Winkler et al., “Direct Determination of three-phase contact line properties on nearly molecular scale”, Scientific Reports, online 17. Mai 2016.
www.nature.com/articles/srep26111
DOI: 10.1038/srep26111

*Source: Universität Wien

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