Monsterwellen, die auf dem Meer ganze Schiffe versenken können, treten auch in nur nanometerdicken Flüssigkeitsfilmen auf. Dort spielen sie eine wichtige Rolle für das Verhalten der hauchdünnen Schichten, deren Bedeutung von Chipherstellung bis zur Medizin reicht, wie eine Arbeitsgruppe um James E. Sprittles von der University of Warwick in Coventry berichtet. Laut ihrer jetzt in der Fachzeitschrift »Physical Review Fluids« erschienenen Veröffentlichung bilden sich die Nano-Monsterwellen wie jene Wellen auf dem Meer durch Überlagerung kleinerer Wellen, die in extrem dünnen Flüssigkeitsfilmen durch Temperaturschwankungen entstehen. Anders als auf dem Ozean sind die Monsterwogen jedoch keine bloße Kuriosität, sondern spielen eine entscheidende Rolle dabei, wann und wo Flüssigkeitsfilme auf Oberflächen reißen.

Verhalten und Stabilität dünner Flüssigkeitsfilme sind zum einen in der Technik sehr wichtig, zum Beispiel für Herstellungsprozesse dünner Schichten wie in Chips oder Solarzellen. Zum anderen spielen Schichten von Flüssigkeiten in der Medizin oder Biologie eine Rolle, wenn es um die Benetzung von Schleimhäuten oder Implantaten geht. Spannend wird es vor allem dann, wenn die Flüssigkeitsfilme extrem dünn werden und Oberflächen nur noch nanometerhoch bedecken. Denn während in makroskopischen Flüssigkeitsfilmen Kapillarkräfte und Oberflächenspannung bestimmen, wann ein Film einreißt und die darunterliegende Oberfläche frei gibt, spielen bei extrem dünnen Filmen Effekte eine Rolle, die sonst nicht zum Tragen kommen.

In solchen dünnen Lagen sind nämlich alle Moleküle nah genug an der Oberfläche, um von Effekten dieser Grenze beeinflusst zu werden. So können sich Moleküle an Grenzflächen ausrichten, Bestandteile von Lösungen dort voneinander trennen oder gar Moleküle Cluster bilden, die so dick sind wie die Flüssigkeitslage selbst – und dergleichen mehr. Unterhalb einer kritischen Dicke führen solche nanoskaligen Effekte dazu, dass Flüssigkeitsschichten reißen und sich in einzelne Tropfen zerlegen. Doch auch oberhalb der kritischen Dicke können Flüssigkeitsschichten reißen. Dabei spielen Temperaturschwankungen eine wichtige Rolle. Bisher sei aber nicht klar gewesen, wie es dazu kommt, schreibt das Team um Sprittles. Denn für dieses so genannte »thermische Regime« habe es bisher keine guten Modelle gegeben.

Die Arbeitsgruppe nutzte molekulare und hydrodynamische Simulationen solcher Filme, um die Effekte thermischer Schwankungen zu ermitteln. Dabei zeigte sich, dass Filme dann reißen, wenn sich die Schwankungen zu den extrem seltenen Monsterwellen überlagern. Um dieses Verhalten statistisch zu erfassen, wandte sich das Team dann jenen Techniken zur Modellierung seltener Ereignisse zu, die sich bei den Monsterwellen der Meere bewährt hatten. Diese Modelle zeigten, wann und unter welchen Umständen die Wellen einen Weg böten, eigentlich stabile Filme reißen zu lassen, heißt es in der Veröffentlichung. »Wir hoffen, dass die Theorie in Zukunft genutzt werden kann, um eine ganze Reihe neuer Nanotechnologien zu ermöglichen«, sagt Sprittles laut einer Pressemitteilung seiner Universität.