Forschung: Wasseroberflächen mittels 3D-Druck modellieren

Physikern der Universität Lüttich ist es gelungen , die Oberfläche von Wasser mithilfe der Oberflächenspannung zu formen . Mithilfe des 3D-Drucks eng beieinander liegender Stacheln kombinierten sie Menisken, um programmierte Flüssigkeitsrippen zu erzeugen, die Partikel allein durch die Schwerkraft leiten können. Dies ist ein vielversprechender Fortschritt für den mikroskopischen Transport und die Sortierung sowie für die Bekämpfung der Meeresverschmutzung.

Eine Flüssigkeit in einem Glas zu kippen ist absolut unmöglich: Kippt man das Glas, kehrt die Flüssigkeitsoberfläche automatisch in die Horizontale zurück, abgesehen von einer kleinen, kaum sichtbaren Krümmung , die sich nahe dem Glasrand bildet. Diese Krümmung wird Meniskus genannt und entsteht durch die Kapillarität, eine Kraft, die im Millimeterbereich wirkt und aus der Oberflächenspannung der Flüssigkeit resultiert. Was würde passieren, wenn wir viele kleine Menisken auf einer großen Oberfläche erzeugen könnten? Und was wäre, wenn sich diese kleinen Reliefs zu Hängen, Tälern oder gar ganzen Flüssigkeitslandschaften summieren könnten? Genau das ist Wissenschaftlern des Grasp-Labors der Universität Lüttich in Zusammenarbeit mit der Brown University (USA) gelungen. Mit ihrer Expertise über Flüssigkeiten, insbesondere Flüssigkeitsgrenzflächen, und ihrem Zugang zu hochmodernen 3D-Druckwerkzeugen begann das Grasp-Team mit dem Drucken mehrerer „Modelle“, verschiedener Spielfelder, um ihre Theorie zu bestätigen: Sie druckten konische Stacheln im 3D-Druckverfahren, die nahe genug beieinander liegen, um die Wasseroberfläche in großem Maßstab zu verformen.

„Wie wir wissen, bildet jeder Dorn einen Meniskus um sich herum“, erklärt die Physikerin Megan Delens . Nach dieser Logik bedeutet dies, dass wir, wenn wir sie gut anordnen und nahe genug beieinander liegen, eine Art riesigen Meniskus sehen sollten, der aus der Überlappung und Addition jedes einzelnen Meniskus resultiert. Das Team entdeckte, dass „durch die individuelle Veränderung jedes einzelnen Stifts die Flüssigkeitsoberfläche nicht länger flach bleibt, sondern eine Art ‚programmierte‘ Flüssigkeitslandschaft bildet, denn durch die Veränderung der Höhe oder des Abstands zwischen den Stiften konnten die Forscher Flüssigkeitsoberflächen entwerfen, die allen möglichen Topografien folgen: schiefe Ebenen, Halbkugeln, aber auch viel komplexere Formen zeichnen. So gelang es ihnen beispielsweise, das Atomium in Brüssel als Flüssigkeitsrelief zu erschaffen. Aber das ist noch nicht alles. Diese Methode bietet auch eine neue Möglichkeit, schwimmende Objekte wie Murmeln, Tropfen oder Plastikpartikel zu bewegen und zu sortieren“, erklärt Professor UFF , Physiker und Leiter des Labors. „Wenn die Flüssigkeitsoberfläche geneigt ist, steigen die leichteren Objekte dank des archimedischen Schubs auf, während die dichteren aufgrund ihres Eigengewichts sinken, als würden sie einen Wasserhügel hinunterrutschen.“ Dieser vollständig passive Ansatz könnte bei der Mikromanipulation, der Partikelsortierung oder sogar der Reinigung von Flüssigkeitsoberflächen eingesetzt werden, beispielsweise um Mikroplastik oder Öltröpfchen auf der Wasseroberfläche einzufangen. Zukünftige Forschung könnte fortschrittlichere Methoden erforschen, um die winzigen Spitzen zu bewegen, beispielsweise durch den Einsatz von Materialien, die auf Magnetfelder reagieren oder ihre Form verändern können. „Die Idee wäre, die Form der Flüssigkeitsoberfläche in Echtzeit steuern zu können. Diese Fortschritte würden diese Methode für die Entwicklung neuer innovativer Technologien in der Mikrofluidik noch nützlicher machen“, so Megan Delens abschließend.