Tropfenoberfläche

Tropfenoberfläche bezeichnet die Grenzfläche zwischen einem Tropfen und seiner Umgebung, üblicherweise zwischen der Flüssigkeit und der umgebenden Luft. An dieser Grenzfläche wirkt eine Oberflächenspannung γ, die durch die ungleichen Bindungen der Moleküle an der Grenze entsteht. Sie führt zur energetischen Minimierung der Fläche und bestimmt Form, Stabilität und Dynamik des Tropfens.

Der innere Druck im Tropfen hängt von der Krümmung der Oberfläche ab. Der Laplace-Druck ΔP = γ κ (κ: mittlere Krümmung) beschreibt die Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenraum. Für einen kugelförmigen Tropfen im Vakuum gilt ΔP = 2γ/R. In der Praxis beeinflussen Gravitation und Benetzbarkeit die Form, sodass große Tropfen abgeflacht wirken.

Auf festen Oberflächen bestimmt der Kontaktwinkel θ die Benetzbarkeit. Nach der Young-Beziehung γ_SV − γ_SL = γ_LV cos θ ergibt sich der Gleichgewichtszustand aus der Balance der Oberflächenenergien. Die Kontaktlinie kann pinnen und Hysterese zeigen, wodurch Form und Verschiebung des Tropfens beeinflusst werden.

Dynamik umfasst Marangoni-Strömungen, die durch Oberflächenspannungsgradienten entstehen, sowie Kapillarwellen, Tropfenresonanzen und Kopplungen mit Umgebungsfeldern. Temperatur- oder Zusammensetzungsunterschiede können lokale γ-Veränderungen auslösen.

Mess- und Modellierungsmethoden reichen von Pendant-Drop-Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenspannung über Profilometrie bis hin zu numerischen Modellen, die Navier-Stokes-Gleichungen mit Oberflächenspannung lösen und die Tropfenform sowie deren Dynamik beschreiben.