Peter Tucker
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Ein einziger Tropfen Lösungsmittel wirbelt wie ein winziger Tänzer auf einem Becher Wasser und wirft nach und nach kleine runde Teile von sich weg, bis nichts mehr übrig ist. Einige, die es sahen, dachten, es sah aus wie eine sich drehende Galaxie oder der kleinste Hurrikan der Welt. Alle, die es sahen, fragten sich, was zum Teufel los war - und dazu gehören auch die Forscher, die das Experiment 2011 durchgeführt haben.
Der magische Tropfen von Lösungsmittelsternen in einem GIF mit dem Titel "Ein Tropfen Dichlormethan auf Wasser, das beim Verdampfen aus der Existenz herausspringt" wurde am Donnerstag (11. Januar) im Reddit-Forum für chemische Reaktionen veröffentlicht. Trotz seines neu gewonnenen Ruhmes (mehr als 20.000 Upvotes innerhalb der ersten 24 Stunden) entstand das GIF aus einem 2011 in der deutschen Chemiezeitschrift Angewandte Chemie veröffentlichten Artikel.
Die These des Papiers war einfach: Wenn Sie ein Tröpfchen Dichlormethan (DCM) -Lösungsmittel in ein Becherglas Seifenwasser abgeben, sieht es wirklich sehr, sehr cool aus. [Album: Preisgekrönte Fotos, aufgenommen mit einem Mikroskop]
“Dies ist ein sehr einfaches Experiment und ein sehr kompliziertes Phänomen,” sagte Oliver Steinbock, Professor für Chemie an der Florida State University und leitender Autor der Studie. "Wir waren sehr überrascht - und sind es immer noch.”
Um das Experiment durchzuführen, füllten Steinbock und seine Kollegen mehrere Becher mit verschiedenen Konzentrationen von Wasser und einem üblichen Labordesinfektionsmittel namens CTAB. Mit einer Pipette fügten sie jedem Becher einen einzelnen Tropfen DCM hinzu - eine farblose Flüssigkeit, die manchmal als Entfetter verwendet wird - und filmten die Ergebnisse. Jeder Versuch dauerte insgesamt etwa 20 bis 30 Sekunden und war mit bloßem Auge sichtbar.
Also, was ist hier los??
Jeder Tropfen DCM, der einen relativ niedrigen Siedepunkt hat, begann zu verdampfen, sobald er die Pipette verließ. Aber die Überraschungen begannen, als die Tröpfchen die Seifenwasserlösung berührten.
"DCM hat eine höhere Dichte als Wasser, daher würde man erwarten, dass es sofort sinkt", sagte Steinbock. "Aber sobald es das Wasser berührt, breitet sich ein Teil davon aus und erzeugt diese Art von Film, der das Tröpfchen auf der Wasseroberfläche hält ... es ist wie ein Boot, das das Tröpfchen über Wasser hält.” (Obwohl der DCM-Film im obigen viralen GIF nicht sichtbar ist, können Sie ihn in mehreren anderen Videos des Experiments, das Steinbock auf YouTube gepostet hat, deutlich sehen.)
Trotz dieses bootartigen Films beginnt ein kleiner Teil des Tröpfchens zu sinken. Es ist vom Top-Down-Standpunkt dieses GIF nicht sichtbar. Unter dem Tröpfchen bildet sich jedoch ein winziger Strahl fallender Blasen, sobald es das Wasser berührt. Der fallende DCM-Strahl verkleinert langsam das Volumen des Tröpfchens, bewirkt aber auch, dass es sich dreht. "Es ist ein bisschen wie beim Spülen einer Toilette", sagte Steinbock. "Das Wasser neigt dazu, sich zu drehen und zu verdrehen. Und das löst die Rotation des Tropfens aus, den wir zu sehen beginnen."
Innerhalb weniger Sekunden schwimmt das Tröpfchen sofort, dreht sich und verdampft. Infolge dieser kombinierten Kräfte lösen sich kleinere Tröpfchen schließlich vom Rand des größeren Tröpfchens. Aber anstatt sich zu versenken, schießen sie radial heraus und bewegen sich geradeaus über die Oberfläche des Films, bis sie selbst verdunsten.
"Diese Tröpfchen sind selbstfahrend", sagte Steinbock. Dies ist auf ein Phänomen zurückzuführen, das als Marangoni-Effekt bezeichnet wird und besagt, dass eine Flüssigkeit mit einer hohen Oberflächenspannung stärker zieht als eine Flüssigkeit mit einer niedrigen Oberflächenspannung. Dieser Spannungsunterschied erzeugt eine Kraft auf das System, die zu Bewegung führen kann.
Wenn das DCM im Experiment zu verdampfen beginnt, nimmt die Oberflächenspannung des Tröpfchens von außen nach innen ab. Kleinere Tröpfchen beginnen sich am Rand des großen Tröpfchens zu bilden, bis die relativ hohe Oberflächenspannung des umgebenden Wassers die kleinen Tröpfchen in dem, was Steinbock nennt, wegzieht eine "ballistische" Flugbahn. Jedes einzelne Tröpfchen bewegt sich geradeaus, bis seine Oberflächenspannung gleichermaßen instabil wird, was zu einer weiteren Fragmentierung führt. Schließlich teilen sich die Tröpfchen so oft, dass sie nicht mehr gesehen werden können. (Ein Artikel aus dem Jahr 2017 in Physical Review Letters erklärt das Phänomen weiter.)
Diese und andere Kräfte drehen und schrumpfen das große DCM-Tröpfchen weiter, bis es plötzlich seine Symmetrie verliert und wahnsinnig in die totale Verdunstung stottert. Warum das System plötzlich von einem Zustand scheinbarer Symmetrie zu einem totalen entropischen Chaos übergeht, verblüfft sogar Steinbock und seine Kollegen. In einem halben Dutzend Experimenten konnten sie die genauen Muster dieses GIF nicht wiederherstellen. "Ich war ein wenig entmutigt zu verstehen, wie kompliziert es wirklich ist", sagte Steinbock.
So kompliziert dieser kleine Tropfen Lösungsmittel auch sein mag, er sprach dennoch bei vielen, die ihn sahen, zu etwas Eigenem und Reinem. Wie Reddit-Benutzer MurderSlinky es ausdrückte: "Nie zuvor habe ich so viel mit einem GIF zu tun gehabt wie mit diesem winzigen, unbedeutenden Punkt Flüssigkeit, der sich ziellos in einem endlosen, gleichgültigen Meer dreht und langsam zu nichts wird."