23.09.2026
Mehr als nur Ionen: Was verursacht Tropfenaufladung?
Ob zuhause an der Fensterscheibe oder bei der industriellen Reinigung von Computerchips: Über Feststoffe gleitende Tropfen laden sich elektrisch auf. Doch welcher physikalische Mechanismus hinter dieser Aufladung steckt, ist bis heute umstritten.
Meist wird diese Aufladung dem Austausch geladener Teilchen, an der Kontaktlinie zwischen Tropfen und Oberfläche zugeschrieben. Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung untersuchten nun zwei verschiedene Flüssigkeitstypen - sogenannte polare und unpolare Flüssigkeiten - jeweils in flüssigem und gefrorenem Zustand. Die Forschenden fanden damit heraus, dass anscheinend mindestens ein weiterer Effekt hinter der Tropfenaufladung steckt.
Wenn Tropfen über Oberflächen gleiten, laden sie sich meist positiv auf und hinterlassen eine negativ geladene Spur auf der Oberfläche. Dieser Prozess wird als Slide-Electrification bezeichnet. Die dabei entstehenden elektrischen Ladungen beeinflussen die Bewegung von Tropfen auf verschiedenen Oberflächen.
An der Fensterscheibe trägt das zum Beispiel dazu bei, dass Tropfen ab und zu hängen bleiben. Bei der Reinigung von Computerchips in industriellen Herstellungsprozessen können die empfindlichen Bauteile dadurch sogar beschädigt werden. Deshalb ist das Verständnis darüber, welche grundlegenden Prozesse zur Tropfenaufladung beitragen, von großem Interesse.
Aktuell wird die Ladungsübertragung üblicherweise mit Hilfe des Konzeptes der elektrochemischen Doppelschicht erklärt: Wenn ein Tropfen eine Oberfläche berührt, setzen sich in der Regel negativ geladene Ionen spontan an der benetzten Oberfläche fest. Diese ziehen wiederum mobile positive Gegenladungen aus der Flüssigkeit an, die sich in der Flüssigkeit nur wenige Nanometer von der Oberfläche entfernt aufhalten. Während der Tropfen über die Oberfläche rutscht, verbleiben negative Ladungen an der Oberfläche und der Tropfen lädt sich positiv auf.
Um die zugrunde liegenden Mechanismen zu untersuchen, verglichen die Forschenden das Verhalten von zwei verschiedenen Typen von Flüssigkeiten - von polaren und unpolaren Flüssigkeiten - sowohl in flüssiger als auch in gefrorener Form. Ein Alltagsbeispiel für polare Flüssigkeiten ist Wasser, das elektrisch leitfähig ist, während Öl als unpolare Flüssigkeit keinen elektrischen Strom leitet. Ionen in den beiden Typen verhalten sich abhängig von der Flüssigkeit und der Phase unterschiedlich.
In unpolaren Flüssigkeiten spielen frei bewegliche Ionen für den Ladungstransport praktisch keine Rolle. Auch in gefrorenen polaren Flüssigkeiten ist die Ionenbeweglichkeit stark eingeschränkt. Indem die Forschenden Tropfen aus verschiedenen Flüssigkeiten und Aggregatszuständen über Oberflächen laufen ließen und danach den Ladungszustand des Tropfens maßen, konnten sie prüfen, welche Rolle bewegliche Ionen tatsächlich bei der Ladungsübertragung spielen.
Das überraschende Ergebnis: Selbst unpolare Flüssigkeiten laden sich in fester und flüssiger Phase beim Rutschen über eine Oberfläche auf, wenn auch deutlich schwächer als polare Flüssigkeiten. Unter der etablierten Annahme, dass unpolare Flüssigkeiten praktisch keine frei beweglichen Ionen enthalten, muss es also noch eine weitere Form des Ladungstransports geben, der zu einer Aufladung der Tropfen führt. Seit einiger Zeit wird daher diskutiert, ob ein direkter Elektronenaustausch stattfinden könnte.
"Dies deutet darauf hin, dass unser bisheriges Verständnis, wonach die Ladungsübertragung ausschließlich durch Ionen erfolgt, möglicherweise nicht vollständig zutreffend ist. Die Slide-Electrification könnte über mindestens zwei Mechanismen ablaufen, wobei der dominante Ladungsübertragungsprozess je nach Elektronegativität, Aggregatzustand und Temperatur zwischen Ionen- und Elektronenübertragung wechselt.", erklärt Dr. Rutvik Lathia, Forscher am Max-Planck-Institut für Polymerforschung.
Die Annahme einer direkten Elektronenübertragung stammt hauptsächlich aus Untersuchungen zur Triboelektrifizierung zwischen zwei Festkörpern, welche beispielsweise bei dem rutschenden Eis auftritt. Bei der Reibung von zwei Festkörpern können sich ihre Elektronenwolken überlappen und somit direkt ein Elektron austauschen. Ladungsübertragung kann auch durch extrem hohe lokale Spannungen entstehen, die beim Reiben zweier Festkörper auftreten. Dieser Effekt tritt jedoch nicht auf, wenn eine Flüssigkeit über einen Festkörper gleitet, weswegen bisher von einer Aufladung durch Ionenaustausch ausgegangen wurde.
Die Forschenden hoffen nun, dass die neuen im Journal Nature Physics veröffentlichten Erkenntnisse die Entwicklung verbesserter Materialien für Anwendungen wie die triboelektrische Energiegewinnung, eisabweisende Oberflächen oder tropfenbasierte Technologien unterstützen können.
Quelle: Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P)