Düsen im Nanoformat

News: Düsen im Nanoformat

Aus einem Gartenschlauch Wasser zu spritzen, ist ziemlich einfach. Doch wenn der Durchmesser der Düse gerade mal einige Nanometer beträgt, könnte der Vorgang ganz anders aussehen. In Computermodellen haben amerikanische Wissenschaftler nachgewiesen, dass solche winzigen Bauteile wirklich funktionieren werden - ähnlich wie normale Düsen.

Anstatt sich direkt in die praktische Arbeit zu stürzen und tatsächlich Düsen von nur wenigen Nanometer Durchmesser zu bauen, haben Uzi Landman und Michael Moseler vom Georgia Institute of Technology anhand von Molekulardynamik-Simulationen das Verhalten von etwa 200 000 Propan-Molekülen untersucht. In ihren Berechnungen werden die Teilchen zuerst in einem winzigen Behälter zusammengepresst und dann durch eine wenige Nanometer dicke Düse aus Gold gespritzt. Dadurch erfassten die Forscher den Vorgang über einen Zeitraum von mehreren Nanosekunden bei einer Auflösung von Femtosekunden, Tausendstel Nanosekunden. "Es ergibt keinen Sinn, Geräte in dieser Größe zu entwickeln, ohne deren physikalisches Verhalten und fundamentale Grenzen zu kennen", begründet Landman das Vorgehen.

Zuerst war es schwierig, überhaupt ausgedehnte Strahlen zu erzeugen. Die Wissenschaftler hatten einen Druck von 500 Megapascal auf den Behälter ausgeübt. Beim Austreten bildete das Propan auf der Außenseite Filme in der Dicke einiger Moleküle, so dass die Düse schnell verstopft wäre (Science vom 18. August 2000).

"Einige Phänomene zu bekämpfen, die auftreten, sobald die Strahlen die Düse verlassen, ist der Schlüssel zur Bildung solcher Strahlen", bemerkt Landman. "Kondensieren Filme auf den Außenseiten der Düse, verdicken sie sich und blockieren schließlich das Ausfließen. Makroskopisch gesehen spielen solche Filme keine Rolle, aber in der Größenordnung von Nanometern sind sie der Schlüssel zur Herstellung von Strahlen." Zur Vorbeugung heizten die Forscher die Oberfläche der Düse, wodurch die Filme verdampften. In der Realität wäre es eventuell auch möglich, die Düsen so zu beschichten, dass die Moleküle nicht an ihnen haften können.

Nachdem Landman und Moseler den Propanfluss in ihren Simulationen aufrechterhalten konnten, untersuchten sie dessen Eigenschaften. Die Strahlen erreichten Geschwindigkeiten von maximal 400 Meter pro Sekunde – gut 1400 Kilometer pro Stunde. Durch Reibung innerhalb der Düse erhitzte sich das Propan. Verließ der Strahl dann die Düse, verlor er rasch rund 25 Prozent von seinem Durchmesser, indem Moleküle verdampften. Thermische Instabilitäten verzerrten nach dem Austreten aus der Düse den Strahl. Er bildete dann eine Reihe von "Hälsen" und ähnelte dadurch einer Perlenkette. Am Ende klemmte sich einer der Hälse ab: Ein Propantropfen entstand. Wenn der Strahl sich auf diese Weise auflöste, bildeten sich Tropfen von bemerkenswert einheitlicher Größe. "Bei Anwendungen wie der Brennstoff-Einspritzung ist das ein sehr wichtiger Aspekt, um die Tröpfchen möglichst effizient zu verbrennen", erläutert Landman.

In der zweiten Phase ihrer Arbeit verglichen die Wissenschaftler ihre Ergebnisse mit Resultaten aus klassischen Rechnungen. Diese erklären nicht den Effekt thermisch induzierter Fluktuationen, welche sich erheblich auf die Stabilität von Nanojets auswirken. In größerem Maßstab spielen sie eine viel kleinere Rolle.

"Auf dem kleinen Maßstab, den wir hier haben, verstärken sich die Fluktuationen", erklärt Landman. "Es gibt immer Fluktuationen oder Rauschen bei Ereignissen in der Natur. Aber wenn die Größe des physikalischen Systems abnimmt, nimmt der relative Einfluss solcher Fluktuationen zu.

Landman und seinem Kollegen ist es gelungen, die bisherigen Gleichungen so zu ändern, dass sie ihre Beobachtungen korrekt beschreiben. Dadurch können andere Forscher das Verhalten von Nanojets auch aus anderen Materialien und unter anderen Bedingungen vorhersagen. "Durch diese Beschreibung von Fluktuationen lässt sich die Hydrodynamik bis auf den molekularen Maßstab erweitern", sagt Landman.

Siehe auch

Spektrum Brennpunkt-Thema vom 7.8.2000
"Nano ist das Größte"

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