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Weiche Mikrogele halten düsenfreien Wasserstrahl länger stabil
Düsenfreie Flüssigkeitsstrahlen brechen bei hoher Belastung meist rasch in Tropfen auf, doch weiche Mikrogele können diesen Zerfall deutlich hinauszögern und akustisch erzeugte Wasserstrahlen um bis zu 44 Prozent verlängern. Entscheidend ist offenbar ein dehnbares Polymernetzwerk an der Wasseroberfläche, das die effektive Oberflächenspannung während der schnellen Verformung niedrig hält.
Darmstadt (Deutschland). Dünne Flüssigkeitsstrahlen sind für präzises Drucken, Mikrofabrikation oder eine mögliche nadelfreie Medikamentenabgabe interessant und lassen sich ohne Düse unter anderem mit fokussierten akustischen Oberflächenwellen erzeugen. Diese tragen Energie in einen Tropfen ein und schleudern Flüssigkeit aus seiner freien Oberfläche heraus.
Solche Jets haben allerdings einen natürlichen Gegenspieler, denn die Oberflächenspannung versucht, die vergrößerte Grenzfläche wieder zu verkleinern. Dadurch teilt sich der Strahl über die sogenannte Rayleigh-Plateau-Instabilität in Tropfen auf, während klassische Tenside die Grenzfläche bei sehr schneller Verformung nur begrenzt stabilisieren können.
Forscher der Technischen Universität Darmstadt (TU Darmstadt) um Dr. Suvendu Mandal haben nun untersucht, ob weiche Polymerteilchen die instabile Oberfläche besser zusammenhalten. Dazu verwendete das Team Mikrogele aus Poly(N-isopropylacrylamid), kurz PNIPAM, deren Steifigkeit sich über die Dichte der chemischen Vernetzung einstellen ließ.
Die Wissenschaftler verglichen Mikrogele mit einem Vernetzeranteil von einem, fünf und zehn Molprozent sowie verschiedene Teilchenkonzentrationen. Vor dem Versuch ruhten die Tropfen zwei bis drei Minuten auf dem akustischen Chip, damit sich Mikrogele an der Wasser-Luft-Grenze anlagern konnten. Anschließend erzeugten Oberflächenwellen bei gleicher Antriebsleistung Jets mit ungefähr einem Meter pro Sekunde.
Je weicher und konzentrierter die Mikrogele waren, desto länger blieben die Strahlen erhalten. Bei einem zehn Mikroliter großen Tropfen mit einem Gewichtsprozent der weichsten Mikrogele erreichte der Jet 15,59 ± 0,14 Millimeter, während ein vergleichbarer Wasserstrahl auf 10,82 Millimeter kam. Bei der höchsten untersuchten Konzentration entsprach das einer Verlängerung um rund 44 Prozent gegenüber reinem Wasser.
Die Versuche deuten darauf hin, dass nicht allein eine niedrige Gleichgewichts-Oberflächenspannung entscheidend ist, sondern auch die mechanische Belastbarkeit der Grenzschicht. Weiche Mikrogele bilden schon vor dem Start eine zusammenhängende, polymerreiche Schicht an der Oberfläche und können stark verformt werden, während sich die Grenzfläche beim Jetting um ungefähr 200 Prozent vergrößert.
Grobkörnige Computersimulationen, die das Verhalten vieler Teilchen vereinfacht nachbilden, stützen diesen Mechanismus. Polymerketten benachbarter weicher Mikrogele blieben während der Streckung miteinander verhakt, während steifere Teilchen den Kontakt verloren. In den Simulationen hielt das weiche Netzwerk die effektive Oberflächenspannung bei etwa 50 Millinewton pro Meter, während sie für reines Wasser bei ungefähr 70 Millinewton pro Meter lag.
Eine einfache Energiebilanz liefert dazu eine passende Größenordnung, indem sie die durch die akustischen Wellen eingebrachte Bewegungsenergie mit der Oberflächenenergie des entstehenden Jets verknüpft. Bei der simulierten Spannungsabsenkung sagt dieses Modell eine Verlängerung um rund 40 Prozent voraus, was nahe am experimentell gemessenen Maximum von 44 Prozent liegt.
Auch ein Vergleich mit dem kationischen Tensid C14TAB spricht dafür, dass die mechanisch belastbare Grenzschicht wichtig ist, denn selbst bei hoher Tensidkonzentration verlängerte sich der Jet nur um etwa elf Prozent gegenüber Wasser. Die molekulare Tensidschicht kann zwar die Oberflächenspannung senken, bildet unter starker Dehnung aber kein vergleichbar zusammenhängendes Polymernetz.