15.06.2021
Hochgeschwindigkeitsmikroskopie - Ausbreitung von Stoßwellen in Wasser "gefilmt"
Das Aufsteigen kleiner Bläschen im Mineralwasserglas kennt jeder aus dem Alltag. Eine ganz andere Art von mikroskopisch kleinen Blasen kann man erzeugen, indem man einen intensiven Laserpuls im Wasser fokussiert. Die sogenannte Kavitationsblase, anfangs wenige tausendstel Millimeter groß, breitet sich dann aber mit Überschallgeschwindigkeit explosionsartig aus.
Sie wird getrieben durch einen Überdruck, der den Normaldruck etwa um das hunderttausendfache übersteigt. Dabei wird eine starke sphärische Stoßfront erzeugt.
Diesen Prozess hat ein Team unter Führung der Universität Göttingen gemeinsam mit Forschern von DESY und dem Europäischen Röntgenlaser European XFEL mit einer neuartigen Röntgenbildgebungsmethode "gefilmt". Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift "Nature Communications" erschienen.
In ihrem Experiment hat das Team durch einen intensiven Infrarot-Laserpuls von wenigen milliardstel Sekunden Dauer zunächst ein Plasma im Wasser erzeugt. Aus diesem bildet sich die sogenannte Kavitationsblase und expandiert dann rasch, wobei sie eine stark komprimierte Wasserschicht, die Stoßfront, vor sich herschiebt. Mit den Röntgenlaserblitzen des European XFEL nahmen die Forscherinnen und Forscher Hologramme der expandierenden Kavitationsblase auf.
"Im Gegensatz zu sichtbarem Licht, mit dem wir aufgrund starker Wechselwirkung durch Brechung und Streuung nicht ins Innere der Blase hineinschauen können, lässt sich mit Röntgenstrahlung nicht nur die Form, sondern das gesamte Dichteprofil von Blase und Stoßfront auflösen", erklärt Malte Vassholz, Hauptautor von der Universität Göttingen. "Dazu haben wir mittels eines speziellen Algorithmus das Dichteprofil aus den gemessenen Röntgenhologrammen rekonstruiert."
Durch kontrollierte Verzögerung zwischen dem Infrarot-Laserstrahl, mit dem die Blase erzeugt wurde, und dem Röntgenlaserstrahl, mit dem sie abgebildet wurde, erhielt das Team dann einen "Film" des gesamten Prozesses. "Insgesamt haben wir rund 20.000 Messungen gemacht und mehr als 3000 Blasen analysiert", berichtet DESY-Hauptautor Johannes Hagemann. "Für jede Blase wurde die im Wasser durch den Infrarotlaser deponierte Energie bestimmt und aus den Röntgendaten die Dichte und der Druck in der resultierenden Schockwelle berechnet. Daraus lässt sich der Druck im Verlauf der Zeit und in Abhängigkeit der Energie in der Blase darstellen."
Die Ergebnisse des Experiments sollen neue Rückschlüsse auf die sogenannte Zustandsgleichung von Wasser bei sehr hohem Druck ermöglichen, wie Forschungsleiter Tim Salditt von der Universität Göttingen erklärt: "Obwohl Wasser ohne Zweifel als wichtigste Flüssigkeit der Erde gilt, sind viele Eigenschaften und Zustände - gerade weit weg von den Normalbedingungen - noch wenig verstanden. Durch die einzigartigen Eigenschaften der am European XFEL erzeugten Röntgenlaserstrahlung, die wir für das Experiment nutzen konnten, und unserer neuen Single-Shot-Holographie-Methode können wir nun beobachten, was sich im Inneren der Blase und in der komprimierten Stofffront wirklich abspielt."
Die Forschung eröffnet auch interessante Perspektiven auf Anwendungen. "Kavitation ist zwar in vielen technischen Anwendungen der Fluiddynamik, wie etwa in Pumpen oder bei Schiffsschrauben, höchst unerwünscht, wird aber umgekehrt technisch auch ausgenutzt, zum Beispiel bei der Materialbearbeitung mit Lasern oder um bestimmte chemische Reaktionen zu ermöglichen," erklärt Ko-Autor Robert Mettin von der Universität Göttingen, der schon seit langem an Kavitationsphänomenen forscht. "In der Laserchirurgie kommt die Erzeugung von Kavitationsblasen durch fokussierte Kurzpulslaser ebenfalls zum Einsatz," ergänzt Salditt, "in Zukunft kann man solche Prozesse dann durch die von uns entwickelte Bildgebungsmethode direkt ,filmen'".
Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)