Physikusse arbeiten an der Nanyang Technological University

I PROJEKT SINGAPUR 2014

Am Institute of Physical and Mathematical Sciences der Nanyang Technological University in Singapur erforscht die Arbeitsgruppe um Professor Claus-Dieter Ohl die Bildung und Auflösung von kleinen Hohlräumen (Nanoblasen). Diese Kavitation genannten Phänomene macht man sich bei der Reinigung von Oberflächen, zum Beispiel bei Ultraschallreinigungsbädern, zu Nutze. Bei wohl dosierter Anwendung können Verunreinigungen entfernt werden, ohne dass das Objekt beschädigt wird. In der Grundlagenforschung beschäftigen sich die Forscher derzeit mit den Eigenschaften von Verunreinigungen und wie sie sich unter verschiedenen Bedingungen verhalten.


Vom 30. Juni bis 17. Juli 2014 waren Max Brauner, Jannik Roth und Kjell Wistoff unter der Leitung von Nina und Ingo Wentz vor Ort, um das komplexe Datenmaterial in 3D Animationen umzusetzen.  Das Datenmaterial besteht  hauptsächlich aus Aufnahmen einer Hochgeschwindigkeits-kamera in Verbindung mit einem Totalreflexionsfluoreszenzmikroskop (TIRF).


Ein TIRF wird zur Untersuchung von Strukturen genutzt, die sich sehr nahe an einer Glasoberfläche befinden. Das Licht trifft hierbei in einem flachen Winkel auf die Glas-Wasser-Grenzfläche und wird total reflektiert.  Obwohl sich das Licht im Wasser nicht weiter ausbreiten kann, bildet sich ein evaneszentes Lichtfeld aus. Die Intensität fällt exponentiell ab, so dass eine nutzbare Eindringtiefe lediglich bei

100 – 200 nm (0,0001 – 0,0002 mm) liegt


Mit dem Totalreflexionsfluoreszenzmikroskop betrachten wir im Folgenden insbesondere die Grenze zwischen den drei Materialien Glas, Wasser und Luft. Die Vorgänge an der Glas-Wasser-Luft-Grenze werden von Hochgeschwindigkeitskameras mit bis zu 1 Mio. Frames/Second aufgenommen. Um herauszufinden, wie man Oberflächen reinigen kann wird zunächst erforscht, wie sich Wasser bei Berührung mit Objekten verhält. Objekte die potentiell Oberflächen verschmutzen sind Luftblasen, Partikel (Staubkörner) oder hydrophobe Flüssigkeiten (Öl). Was passiert nun, wenn sich die Grenze eines Tropfens (Luft-Wasser-Grenze) über ein Objekt (Glas) bewegt? Im Experiment bewegen die Forscher hierzu einen Wassertropfen in einem kleinen Kanal durch Überdruck auf einer Seite.


Die Institutsmitarbeiter stellen das Datenmaterial zur Verfügung. Nina und Ingo Wentz bereiten dieses didaktisch auf. Max Brauner, Jannik Roth und Kjell Wistoff verbinden die zwei- und dreidimensionale Ansichten in einer 3D-Simulation. Dabei werden die Aufnahmen der Wasserwand auf dem Glasboden Frame für Frame als Referenz genommen. Die Aufnahmen dazwischen werden simuliert.


Die Arbeiten am Projekt dauerten über die Aufenthaltsdauer in Singapur an. Erste Simulationen sind fertig, werden aktuell am Institute of Physical and Mathematical Sciences diskutiert und gegebenenfalls modifiziert.


Professor Claus-Dieter Ohl und seine Mitarbeiten nahmen sich viel Zeit, den Schülern die Labore zu zeigen, Experimente vorzuführen und gaben Gelegenheit den Alltag an der Uni Singapur zu erfahren.

Kavitation - Gradwanderung zwischen Nutzen und Schaden

Neben der Arbeit im Institute of Physical and Mathematical Sciences besuchten die Schüler einige der vielen Universitätsbibliotheken für eigene Recherche und andere Labore. Besonders herzlich wurden wir in der Division of Thermal and Fluids Engineering der School of Mechanical & Aerospace Engineering empfangen. Die Schüler wurden hier direkt zu einem Praktikum im nächsten Jahr eingeladen.


Wir bedanken uns herzlich bei der Hennef Stiftung der Kreissparkasse Köln, der Stadt Hennef, der Dr. Reinold Hagen Stiftung und der Firma GKN für ihre großzügige Unterstützung, die dieses Projekt erst möglich gemacht hat. Von den Spendengeldern konnten wir Flug und Hotel bezahlen. Ein dickes Dankeschön geht insbesondere an Stefan Hanraths, der sich enorm für uns eingesetzt hat.