Tanzende Tröpfchen

Ein drippiges Wissenschaftsprojekt von Science Buddies

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Physik
Mischung
Materialwissenschaften
Wassertropfen

Einführung
Haben Sie schon einmal Regentropfen an Ihrem Fenster beobachtet, während sie sich bewegen und das Glas herunterlaufen? Es ist faszinierend zu beobachten, wie einige von ihnen selbst dort sitzen, während andere zusammen einen größeren Tropfen bilden. Haben Sie sich jemals gefragt, warum sie sich auf unterschiedliche Weise bewegen und verhalten? Die Kontrolle und Beeinflussung von Flüssigkeiten, die sich auf Oberflächen ausbreiten, wird als "Benetzung" bezeichnet. Dies ist für viele Dinge von Bedeutung - abgesehen vom bloßen Regen. Für einige Zwecke möchten Sie möglicherweise, dass eine Oberfläche eine Flüssigkeit abstößt. Denken Sie nur an Ihre wasserabweisende Jacke. In anderen Fällen müssen Sie die Flüssigkeit gleichmäßig auf einer Oberfläche verteilen, z. B. Farbe an der Wand. Aber können Sie vorhersagen, was ein Wassertropfen auf einer bestimmten Oberfläche bewirkt? Wird es sich ausbreiten oder ein Tröpfchen bilden? Noch komplexer ist es, wenn es sich bei der Flüssigkeit nicht nur um Wasser handelt, sondern um ein Gemisch verschiedener Komponenten. Manchmal kann das Ergebnis sehr unerwartet sein und sogar faszinierend sein. Probieren Sie diese Aktivität aus und überzeugen Sie sich selbst!

Hintergrund
Was bestimmt, wie sich eine Flüssigkeit auf einer Oberfläche verhält? Die Antwort scheint einfach zu sein: Sie hängt von der Flüssigkeit und der Oberfläche ab. Unterschiedliche Oberflächen haben unterschiedliche molekulare Strukturen, was zu unterschiedlichen Affinitäten für Wasser oder andere Flüssigkeiten führt. Materialien, die Wasser anziehen, wie beispielsweise sauberes Glas, werden als hydrophil bezeichnet, was Wasserliebhaber bedeutet, und Wasser breitet sich leicht darauf aus. Andere Oberflächen, wie Teflon oder Pflanzenblätter, zeigen das entgegengesetzte Verhalten und sind wasserängstlich oder hydrophob, was bedeutet, dass Wasser auf ihren Oberflächen einen runden Tropfen bildet. Die Formen eines Tröpfchens auf einer bestimmten Oberfläche können Ihnen tatsächlich viel über die Eigenschaften des Materials, auf dem es sich befindet, sagen.

In Flüssigkeiten ist die Oberflächenspannung die Eigenschaft, die für die Form der Flüssigkeitströpfchen verantwortlich ist. So funktioniert es: Flüssige Moleküle in einem Tröpfchen wollen sich an die umliegenden Nachbarn klammern. Dadurch haften die Moleküle in der Flüssigkeit aneinander. Auf der Oberfläche befinden sich jedoch weniger Flüssigkeitsmoleküle, was zu einer stärkeren Bindung zwischen den Oberflächenmolekülen führt. Da sie von den darunter liegenden Molekülen größtenteils nach innen gezogen werden, tragen alle Oberflächenmoleküle dazu bei, ein Tröpfchen zu bilden. Sie haben wahrscheinlich Beispiele für Oberflächenspannung in Aktion gesehen, ohne es zu merken: Winzige Wassertröpfchen am Fenster oder Pflanzenblätter, nachdem es geregnet hat - oder Wasserwanderer, die auf Wasser laufen, sind nur einige davon. In dieser Übung werden Sie ein weiteres Beispiel für die Oberflächenspannung in Aktion untersuchen und Sie werden feststellen, dass andere Faktoren auch das Tropfenverhalten beeinflussen. Seien Sie auf bunte Tröpfchenaktion vorbereitet!

Materialien

  • Erwachsener Helfer
  • Wasser
  • Papierhandtuch
  • weißes Papier
  • Objektträger und Zange Mikroskop (optional)
  • Hitzebeständige, glatte Glasoberfläche wie Pyrex-Glasschale oder Backform (in gutem Zustand ohne Risse)
  • Flüssige Lebensmittelfarbe (die Propylenglycol als Hauptbestandteil enthält)
  • Medizintropfenzähler
  • Ofenhandschuhe
  • Gasherd oder Campingkocher oder Sterno-Kochbrennstoff mit Streichhölzern oder Feuerzeug (Verwenden Sie Ihre Wärmequelle an einem geeigneten Ort mit angemessenen Vorsichtsmaßnahmen; befolgen Sie stets die Anweisungen des Herstellers.)
  • Joghurtbehälterdeckel oder Wachspapier
  • Schutzbrille (zum Schutz der Augen von Experimentatoren und Beobachtern)
  • Papiertücher
  • Ein weißes Blatt Papier
  • Permanentmarker (optional)

Vorbereitung

  • Legen Sie Papiertücher oder andere Schutzschichten auf Ihren Arbeitsbereich, die schmutzig werden können.
  • Nehmen Sie den Medikamententropfer und legen Sie eine Reihe von fünf Wassertröpfchen auf einen Plastikjoghurtdeckel oder Wachspapier. Sie sollten alle ungefähr gleich groß sein.
  • Wählen Sie eine Farbe für die Lebensmittelfarbe (blau, grün, rot oder gelb) und geben Sie einen Tropfen konzentrierte Lebensmittelfarbe aus der Flasche neben die Wassertropfenreihe.
  • Nehmen Sie mit dem Medikamententropfen eine kleine Menge der konzentrierten Lebensmittelfarbe aus dem Tropfen neben Ihrer Linie und geben Sie sie in den ersten Wassertropfen der Linie. Mischen Sie es, indem Sie den Tropfen in den Tropfer saugen und aus ihm heraussaugen.
  • Jetzt saugen Sie eine kleine Menge dieses ersten Tropfens mit dem Medikamententropfen ab und mischen Sie es mit dem nächsten Frischwassertropfen in der Leitung.
  • Fahren Sie mit allen fünf Wassertröpfchen fort. Am Ende sollten Sie eine Linie mit sechs Tröpfchen Lebensmittelfarbe in unterschiedlichen Konzentrationen haben.
  • Spülen Sie Ihren Medikamententropfen mit frischem Wasser.
  • Wiederholen Sie den gesamten Mischvorgang mit einer neuen Reihe von fünf Wassertröpfchen und einer anderen Auswahl an Lebensmittelfarben (blau, grün, rot oder gelb). Stellen Sie sicher, dass Sie Ihre Medikamententropfen mit frischem Wasser zwischen den Farben spülen. Legen Sie den Joghurtdeckel erst einmal beiseite. Sie werden die Lebensmittelfarbtröpfchen später in der Aktivität benötigen.
  • Lassen Sie Ihren erwachsenen Helfer den Camping- oder Gasherd anzünden. Wenn Sie keines zur Verfügung haben, zünden Sie den Sterno mit einem Streichholz oder Feuerzeug an und verwenden Sie diese Flamme. Seien Sie äußerst vorsichtig, wenn Sie mit offenen Flammen umgehen. Überprüfen Sie Ihre Umgebung auf Sicherheit und binden Sie lose hängende Haare.
  • Lassen Sie alle einen Augenschutz anlegen.
  • Lassen Sie den Helfer eines Erwachsenen die hitzebeständige Glasschale mit den Ofenhandschuhen halten. Führen Sie einen Teil der unteren, flachen Fläche (eine Fläche von drei mal sechs Zentimetern ist ausreichend) langsam durch die Flamme des Gases oder des Campingofens für etwa 30 bis 45 Sekunden. Die Flamme sollte das Glas berühren. Wenn Sie Sterno verwenden, führen Sie die flache Glasoberfläche für ein bis zwei Minuten durch die Flamme. Stellen Sie sicher, dass das Glas die Flamme berührt. Denken Sie daran, wo sich die Stelle auf dem Teller befindet, die die Flamme berührt - Sie werden diesen Bereich für Ihre Aktivitäten nutzen. (Achtung: Seien Sie vorsichtig, wenn Sie das Glas durch die Flamme führen. Bei kleinen mikroskopischen Rissen im Glas kann es unter Hitzeeinwirkung zerbrechen.) Stellen Sie sicher, dass Sie nur eine hitzebeständige oder hitzetolerante Glasschale verwenden, und alle Zuschauer sollten ausgestattet sein mit Augenschutz, z. B. Schutzbrillen.)
  • Wenn Sie Objektträger haben, halten Sie sie alternativ mit einer Zange in die Flamme und lassen Sie sie 30 Sekunden (Gas- oder Campingkocher) oder eine Minute (Sterno) in die Flamme.
  • Seien Sie vorsichtig, das Glas wird sehr heiß. Stellen Sie die Glasschale oder den Objektträger vorsichtig auf Ihren Arbeitsbereich. (Die Seite, die Sie durch die Flamme geführt haben, sollte nach oben zeigen.) Lassen Sie das Glas ca. 10 Minuten abkühlen.

Verfahren

  • Wenn Ihr Glas ein wenig abgekühlt ist, legen Sie ein weißes Blatt Papier auf Ihren Arbeitsbereich. Legen Sie anschließend Ihre noch warme Glasschale oder Ihren Objektträger auf das Papier. Denken Sie daran, dass der Bereich, der der Flamme zugewandt war, nach oben zeigen sollte.
  • Geben Sie einen kleinen Tropfen reines Wasser mit Ihrem gespülten Medikamententropfer auf die Glasoberfläche. Was passiert mit dem Tropfen? Verbreitet es sich auf der Oberfläche oder behält es die Tropfenform bei?
  • Nehmen Sie nun mit dem Medikamenten-Tropfenzähler einen kleinen Tropfen konzentrierter Lebensmittelfarbe aus Ihrem Joghurtdeckel oder Wachspapier (wählen Sie eine beliebige Farbe) und legen Sie sie vorsichtig auf das Glas. Wie verhält sich dieses Tröpfchen? Sieht es anders aus als der reine Wassertropfen? Merkst du einen anderen Unterschied zwischen den beiden Tropfen?
  • Geben Sie nun einen Tropfen der gleichen konzentrierten Lebensmittelfarbe neben den anderen konzentrierten Lebensmittelfarbtropfen auf das Glas. Sie sollten sich nicht berühren, sollten sich jedoch in unmittelbarer Nähe befinden (etwa drei bis sechs Millimeter voneinander entfernt). Wie verhalten sich die beiden Tröpfchen? Bewegen sie sich oder sind sie noch? Wenn sie sich bewegen, in welche Richtung bewegen sie sich und was passiert mit ihnen? (Tipp: Wenn Sie nichts sehen, haben Sie die Glasoberfläche wahrscheinlich nicht genug erhitzt.) Wischen Sie das Glas ab und versuchen Sie, die Glasoberfläche erneut durch die Flamme zu führen. Achten Sie dabei darauf, die Flamme auf einen Bereich zu konzentrieren und zu geben Es ist ausreichend Zeit dort. Es funktioniert am besten mit Objektträgern, aber auch glatte Oberflächen einer hitzebeständigen Glasschale können verwendet werden. Sie können auch versuchen, die Tröpfchen an einer anderen Stelle der erwärmten Glasoberfläche abzulegen - einige Bereiche funktionieren möglicherweise besser als Andere.)
  • Nehmen Sie nach dem Spülen Ihres Medikamententropfens einen weiteren Tropfen konzentrierter Lebensmittelfarbe (wählen Sie eine beliebige Farbe) und setzen Sie ihn auf die warme Glasoberfläche.
  • Vergewissern Sie sich, dass Sie Ihre Medikamententropfer erneut spülen. Wählen Sie dann aus Ihrer Reihe von Lebensmittelfarbtröpfchen auf dem Joghurtdeckel oder dem Wachspapier das am wenigsten konzentrierte aus einer anderen Farbe aus und geben Sie einen kleinen Tropfen neben den konzentrierten Lebensmittelfarbtröpfchen auf das Glas, damit sich kein Tropfen berührt. Zeigen diese beiden Tröpfchen dasselbe Verhalten wie die beiden konzentrierten Tröpfchen der Lebensmittelfarbe? Sehen Sie Unterschiede? Wie verhalten sie sich anders?
  • Wählen Sie nun einige Farben und Konzentrationen der Lebensmittelfarbe aus Ihrem Joghurtdeckel oder Wachspapier und platzieren Sie viele kleine Tropfen zufällig auf Ihrer warmen Glasoberfläche. Vergewissern Sie sich, dass Sie Ihre Medikamenten-Pipette spülen, bevor Sie die Farben oder Konzentrationen wechseln. Versuchen Sie auch, unterschiedliche Tröpfchengrößen herzustellen. Was passiert mit den verschiedenen Tröpfchen? Verändert die Farbe oder Konzentration ihr Verhalten? Können Sie Verhaltensmuster ausmachen?
  • Extra: Können Sie sich andere Möglichkeiten vorstellen, um das Verhalten Ihrer Tröpfchen auf dem Glas oder einer anderen Oberfläche zu beeinflussen? Sie werden nicht auf jeder Oberfläche tanzen, aber Sie können versuchen, mit Tröpfchenbildung und -ausbreitung herumzuspielen. Denken Sie an Oberflächen wie den Stoff Ihrer Regenjacke, Pflanzenblätter, Plastik oder einen Holztisch. Wird die Behandlung der Oberflächen mit Seife, Olivenöl oder Alkohol die Tröpfchenbildung verändern? Was passiert, wenn Sie die Oberflächenrauheit ändern? (Lebensmittelfarbstoffe und Substanzen auf Ölbasis können sich verfärben. Stellen Sie daher sicher, dass Sie eine Erlaubnis erhalten, bevor Sie diese Flüssigkeiten auf verschiedenen Oberflächen testen.)


Beobachtungen und Ergebnisse
Sie sollten alle Arten von Tröpfchenverhalten auf der Glasoberfläche gesehen haben. Der Tropfen reinen Wassers verbreitete sich wahrscheinlich ziemlich schnell. Die Behandlung der Glasschale oder des Objektträgers mit der Flamme machte die Oberfläche sehr ungünstig für die Tropfenbildung und anfälliger für Wasserverteilung. Die konzentrierte Lebensmittelfarbe enthält jedoch nicht nur Wasser, sondern auch eine als Propylenglykol bezeichnete Chemikalie. Die Mischung beider Komponenten ermöglicht die Bildung eines kugelförmigeren Tröpfchens, das Sie beim Aufbringen der konzentrierten Lebensmittelfarbe auf Ihre Glasoberfläche bemerkt haben sollten. Das Wasser an der Tröpfchenoberfläche verdampft schneller als Propylenglykol und hat gleichzeitig eine höhere Oberflächenspannung. Diese Unterschiede führen zu einem symmetrischen Wasserfluss im Inneren des Tropfens, der ihn stabilisiert und die Ausbreitung stoppt.

Sie haben vielleicht gesehen, dass der Lebensmittelfarbtropfen auf dem Glas schwebte oder sich etwas bewegte. Wenn Sie einen zweiten Lebensmittelfarbentropfen neben den ersten setzen, gleiten sie über das Glas und bewegen sich aufeinander zu. Diese anziehende Bewegung wird durch Dampf vermittelt, was bedeutet, dass ein Tropfen die Wasserverdampfung des zweiten Tröpfchens beeinflusst, was zu einem Ungleichgewicht des stabilisierenden inneren Wasserflusses führt. Die resultierende Asymmetrie startet die Bewegung der Tröpfchen aufeinander zu. Sobald sich die beiden Tröpfchen treffen, bestimmt ihr Wasser / Propylenglykol-Gemisch ihr Verhalten. Wenn die Mischung gleich ist, werden die beiden Tröpfchen zu einem größeren Tröpfchen zusammengefügt, wie Sie vielleicht gesehen haben. Wenn Sie für Ihren zweiten Tropfen eine sehr unterschiedliche Lebensmittelfarbstoffkonzentration wählen, können Sie beobachten, wie ein Tropfen dem anderen folgt. Der Grund für dieses Jagdverhalten ist der Unterschied in der Oberflächenspannung der beiden Tröpfchen. Tröpfchen mit niedrigerer Oberflächenspannung (Tröpfchen mit höherer Lebensmittelfarbstoffkonzentration) jagen den Tropfen mit höherer Oberflächenspannung (Tröpfchen mit niedrigerer Lebensmittelfarbstoffkonzentration). Dies macht einige lustige Beobachtungen: Haben Sie gesehen, wie Ihre Tröpfchen tanzten, nachdem Sie viele verschiedene Tröpfchen mit vielen verschiedenen Farben und Lebensmittelfarbstoffkonzentrationen auf Ihre warme Glasoberfläche aufgetragen haben? (Klicken Sie hier, um mehr zu erfahren und eine Video-Erklärung der Wissenschaftler, die herausgefunden haben, wie tanzende Tröpfchen wirken.)

Aufräumen
Spülen Sie alle Ihre Glasgeräte oder Objektträger mit Wasser aus, um die Lebensmittelfarbe zu entfernen. Waschen Sie alle anderen Materialien (Joghurtdeckel, Medikamentenaufsatz) und recyceln Sie den Joghurtdeckel, wenn Sie ihn nicht wiederverwenden möchten. Reinigen Sie Ihren Arbeitsbereich mit Wasser und Seife und vergessen Sie nicht, Ihre Hände zu waschen.

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2 Übliche Flüssigkeiten bilden spontan Tanztröpfchen aus
Dampfvermittelte Wahrnehmung und Beweglichkeit in Zweikomponententröpfchen (pdf), ab Natur ( ist Teil der Nature Publishing Group.)
Tropfentanz aus Physics Central
Wissenschaftliche Aktivität für alle Altersgruppen !, von den Wissenschaftskollegen

Diese Aktivität wurde in Partnerschaft mit Science Buddies für Sie bereitgestellt

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