Modelling droplet-particle interactions on solid surfaces by coupling the lattice Boltzmann and discrete element methods

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der winzige, unsichtbare Kräfte ständig ein Tauziehen auf der Oberfläche von allem um uns herum spielen. Dies ist das Reich der Mehrphasenströmungen, eines Zweigs der Physik, der untersucht, wie verschiedene Materialien – wie Flüssigkeiten, Gase und feste Bestandteile – interagieren, wenn sie gemeinsam in Bewegung sind. Denken Sie an einen Regentropfen, der von einem Blatt rollt, oder an Staub, der von einer Brise weggefegt wird. In diesen Szenarien sind immer drei Hauptcharaktere am Werk: hydrodynamische Kräfte (das Drücken und Ziehen der bewegten Flüssigkeit, wie Wasser, das ein Blatt mitreißt), Kapillarkräfte (die klebrige „Hautspannung“ der Flüssigkeit, die versucht, Dinge zusammenzuhalten) und Reibung (der Widerstand, den man spürt, wenn man ein Buch über einen Tisch schiebt). Wissenschaftler wollen schon lange verstehen, wie genau diese Kräfte zusammenarbeiten oder gegeneinander kämpfen, insbesondere wenn es darum geht, zu verstehen, wie die Natur sich selbst reinigt oder wie wir bessere Oberflächen entwerfen können. Aber in der realen Welt ist es unglaublich schwierig, diese Kräfte einzeln zu testen, da die Änderung der Klebrigkeit einer Oberfläche oft auch deren Rauheit verändert. Es ist, als würde man versuchen, nur das Salz in einer Suppe zu schmecken, ohne die Temperatur zu verändern.

Hier setzt ein Team von Forschern der University of Edinburgh mit einer cleveren digitalen Lösung an. Sie haben eine hoch entwickelte Computersimulation gebaut, die wie ein mikroskopisches Filmstudio fungiert und es ihnen ermöglicht, zu beobachten, wie ein einzelner Wassertropfen mit einem winzigen, staubigen Partikel auf einer festen Oberfläche interagiert. Durch die Kombination zweier leistungsstarker mathematischer Werkzeuge – eines, das den Fluss von Flüssigkeiten simuliert, und eines, das simuliert, wie feste Objekte springen und rollen – haben sie ein virtuelles Labor geschaffen. Hier können sie die „Klebrigkeit“ des Wassers, die „Rauheit“ des Partikels und die Geschwindigkeit des Tropfens unabhängig voneinander anpassen, was in einem physischen Experiment nahezu unmöglich ist. Ihr Ziel? Endlich den Code zu knacken, wie Tropfen Oberflächen reinigen – ein Phänomen, das man berühmt am selbstreinigenden Lotusblatt sieht – und zu sehen, ob sie vorhersagen können, wann ein Tropfen eine Verunreinigung erfolgreich wegfegt oder einfach nur daran vorbeirollt.

Der digitale Tanz von Tropfen und Staub

Die Forscher entwickelten eine neue 3D-Computermethode, die die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) mit der Diskreten Element-Methode (DEM) koppelt. Um zu verstehen, was das bedeutet, stellen Sie sich LBM als ein Gitter aus winzigen, unsichtbaren Billardkugeln vor, die hin und her springen, um zu simulieren, wie Wasser oder Luft fließt. Es ist hervorragend geeignet, um zu sehen, wie Flüssigkeiten wirbeln und sich dehnen. Die DEM hingegen ist wie eine Physik-Engine für feste Objekte; sie berechnet, wie Partikel springen, gleiten oder rollen, wenn sie gegen einander oder eine Wand stoßen. Die Magie dieser Arbeit liegt darin, dass die Autoren herausgefunden haben, wie sie diese beiden Systeme in drei Dimensionen miteinander kommunizieren lassen, wobei berücksichtigt wird, dass Partikel rollen, gleiten und sogar in der „Haut“ eines Flüssigkeitstropfens stecken bleiben können.

Bevor sie ihrer virtuellen Welt vertrauen konnten, mussten sie beweisen, dass sie funktioniert. Sie führten eine Reihe von „Stresstests“ durch, um zu sehen, ob ihre Simulation der realen Physik entspricht. Zuerst beobachteten sie einen Partikel, der von einer Wand abprallte, um sicherzustellen, dass ihr Modell von Reibung und Normalkräften (dem Gegendruck, wenn Dinge sich berühren) korrekt war. Sie stellten fest, dass die Partikel bei Zugabe von „Dämpfung“ (Energieverlust) bei jedem Aufprall niedriger sprangen, genau wie ein echter Ball, der Energie verliert. Als Nächstes simulierten sie einen in einem fließenden Rohr schwimmenden Partikel, um die hydrodynamischen Kräfte zu prüfen. Der Partikel bewegte sich an eine spezifische Stelle im Rohr, ein Phänomen, das als Segrè-Silberberg-Effekt bekannt ist, und ihre Simulation stimmte perfekt mit experimentellen Daten überein. Schließlich testeten sie Kapillarkräfte, indem sie einen Partikel aus einer Flüssigkeitsoberfläche herauszogen. Sie maßen die Kraft, die nötig war, um den Partikel zu lösen, und fanden heraus, dass dies für eine breite Palette von Kontaktwinkeln mit mathematischen Vorhersagen übereinstimmte, was bewies, dass ihr Modell die klebrige „Haut“ der Flüssigkeit korrekt handhaben kann.

Der große Tropfen-Raubzug: Push-Pull vs. Enter-Exit

Nachdem sie ihre Werkzeuge kalibriert hatten, widmete sich das Team dem Hauptereignis: dem Beobachten eines Tropfens, der versucht, eine Oberfläche zu reinigen. Sie legten ein Szenario fest, in dem ein Tropfen über eine Oberfläche gleitet, während sich ein einzelner Partikel auf ihr befindet. Je nachdem, wie „reibungshaftig“ der Partikel ist, entfalten sich zwei sehr unterschiedliche Geschichten.

Im „Push-Pull“-Szenario ist der Partikel rutschig (geringe Reibung). Wenn der Tropfen auf den Partikel trifft, drückt er ihn nicht einfach nur vorwärts. Stattdessen bleibt der Partikel an der Seite des Tropfens hängen und beginnt, um den Rand des Tropfens herumzurollen, wie ein Fahrgast, der sich an der Seite eines fahrenden Busses festhält. Schließlich landet der Partikel am hinteren Teil des Tropfens und wird mitgezogen. Die Simulation zeigte, dass selbst wenn der Partikel perfekt auf den Tropfen ausgerichtet ist, winzige Unvollkommenheiten oder „Rauheit“ auf der Oberfläche dazu führen können, dass er zur Seite driftet und diese kreisförmige Reise beginnt. Interessanterweise zieht der Tropfen den Partikel beim Mitziehen auch leicht nach unten, was die Reibung erhöht und die Aufgabe erschwert.

Im „Enter-Exit“-Szenario ist der Partikel klebrig oder schwer (hohe Reibung). Hier kann der Tropfen den Partikel nicht dazu bringen, um die Seite herumzurollen. Stattdessen drückt der Tropfen den Partikel direkt in sein Zentrum. Der Partikel wird vom Tropfen „verschluckt“, wandert über den Boden des Tropfens und tritt auf der anderen Seite wieder aus. Es ist wie eine Person, die durch eine Drehtür geht: Sie tritt ein, überquert die Mitte und tritt wieder aus. In diesem Fall reinigt der Tropfen die Oberfläche nicht effektiv, da der Partikel nur dann in Bewegung ist, wenn er die Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche am vorderen und hinteren Ende des Tropfens berührt. Die meiste Zeit verbringt der Partikel einfach innerhalb des Tropfens und wird nicht transportiert.

Die Goldlöckchen-Zone der Tropfengröße

Eine der faszinierendsten Erkenntnisse ist, dass die Tropfengröße eine große Rolle spielt. Die Forscher simulierten Tropfen verschiedener Größen und fanden eine „Goldlöckchen“-Zone für die Reinigung.

• Zu klein: Ein winziger Tropfen hat nicht genug Kraft, um die Reibung zu überwinden, die den Partikel festhält. Er drückt den Partikel nur ein wenig an und stoppt dann.
• Zu groß: Ein riesiger Tropfen bewegt sich so schnell und ist so groß, dass der Partikel verschluckt wird (das Enter-Exit-Szenario) und zurückgelassen wird.
• Genau richtig: Ein mittelgroßer Tropfen bewegt sich mit einer Geschwindigkeit, bei der er den Partikel effektiv drücken kann, ohne ihn zu verschlucken, oder ihn effizient an der Seite mitziehen kann.

Das Team entdeckte auch, dass die Art der Reibung wichtiger ist, als man denken mag. Sie fanden heraus, dass die Gleitreibung (der Widerstand gegen das Gleiten) der Hauptgegner ist, der verhindert, dass ein Tropfen eine Oberfläche reinigt. Selbst wenn die Rollreibung gering ist, wird der Partikel nicht in Bewegung gesetzt, wenn die Gleitreibung hoch ist. Wenn jedoch die Gleitreibung niedrig ist, ist der Partikel viel wahrscheinlicher zu erfassen und zu entfernen, selbst wenn die Rollreibung hoch ist. Dies deutet darauf hin, dass man beim Entwurf einer selbstreinigenden Oberfläche darauf fokussieren muss, es den Partikeln schwer zu machen zu gleiten, statt nur zu machen, dass sie schwerer rollen.

Warum das wichtig ist

Diese Arbeit ist ein großer Schritt nach vorn, da sie es ermöglicht, Variablen zu „stimmen“, die im echten Leben unmöglich zu trennen sind. In einem echten Experiment, wenn man die chemische Zusammensetzung einer Oberfläche ändert, um sie wasserabweisender zu machen, verändert man möglicherweise versehentlich auch deren Rauheit, was die Ergebnisse verfälscht. Aber in dieser Simulation konnten die Forscher den Kontaktwinkel (wie das Wasser perlt) ändern, ohne die Reibung zu verändern, oder die Tropfengeschwindigkeit anpassen, ohne die Klebrigkeit der Flüssigkeit zu verändern.

Die Autoren legen nahe, dass diese Methode die Tür zu der Untersuchung vieler anderer, komplexer Realweltprobleme öffnet. Sie erwähnen, dass ihr Ansatz helfen könnte zu verstehen, wie Regen Bodenerosion verursacht, wie Mikroplastik durch Regentropfen in der Umwelt transportiert wird und sogar, wie Atemtropfen mit Oberflächen interagieren könnten. Obwohl sie diese Probleme noch nicht gelöst haben, haben sie ein leistungsstarkes neues Mikroskop für die digitale Welt gebaut, das uns zuschauen lässt, wie die unsichtbaren Kräfte der Natur in 3D ablaufen – Tropfen für Tropfen. Das Paper kommt zu dem Schluss, dass ihre Methode zwar ein mächtiges Werkzeug ist, zukünftige Arbeiten jedoch notwendig sein werden, um diese Modelle auf nicht-sphärische Partikel und noch rauere, komplexere Oberflächen auszuweiten, um die chaotische Schönheit der natürlichen Welt wahrhaftig nachzubilden.