Gerichtete Benetzungsphänomene auf mikrostrukturierten Oberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurden gerichtete Benetzungsphänomene auf festen Oberflächen mit periodischen Mikrostrukturen systematisch in einem numerischen Model der fluiden Grenzflächen untersucht. In Zusammenarbeit mit der Forschergruppe in Taipeh wurden Fragen zum Wechselspiel der Geometrie der Oberfläche sowie deren Oberflächenenergien in Hinblick auf die spontane Bildung von Benetzungsfilmen als auch des vor- und zurückschreitenden Kontaktwinkels von Flüssigkeitstropfen auf topographisch strukturierten Oberflächen untersucht. Hier konnte in entsprechenden Benetzungsexperimenten der Partnergruppe in Taipeh gezeigt werden, dass die Bedingungen, unter denen sich Flüssigkeitsfilme in einem periodischen Gitter aus dreieckigen Säulen spontan ausbreiten, sehr gut aus Betrachtungen der möglichen stabilen Gleichgewichtsformen der Filmfront herleiten lassen. Neben der Oberflächenenergien und der Geometrie der Strukturen hängen diese Bereiche von der Orientierung der fluiden Grenzfläche relativ zu den periodischen Oberflächenstrukturen ab. Entsprechende Ergebnisse für die Beobachtung von zurückweichenden Flüssigkeitsfilmen liegen sowohl auf experimenteller Seite als auch in Form von numerischen Modellierungen vor. Für eine abschließende Publikation müssen jedoch einige Details zu den physikalischen Prozessen bei zurückweichenden Filmfronten genauer verstanden werden, wie der Einfluss der Verdunstungsraten und auf die Form des Films sowie die Rolle der Fluiddynamik während der Ablösung der Filmfront von unterschiedlichen Seitenflächen der dreieckigen Säulen. In der Arbeitsgruppe Seemann wurden im Rahmen des Projekts neben der Modellierung der Bewegung von Flüssigkeitsfilmen in anisotropen Gittern aus Säulen weiterführende numerische Berechnungen der Form fluider Grenzflächen durchgeführt. Als vielversprechender Ansatz hat sich hier herausgestellt, Gleichgewichtsformen von Tropfen auf makroskopisch flachen Oberflächen für eine beliebige funktionale Abhängigkeit des voranschreitenden Kontaktwinkels von der lokalen Orientierung der Dreiphasenkontaktlinie aus Energieminimierungen mit einer orientierungsabhängigen Linienenergie zu erhalten. Im Rahmen des Projektes konnte zunächst der Funktionsnachweis des beschriebenen Prinzips erbracht werden. Weiterführende Untersuchungen erfordert jedoch die Weiterentwicklung und Implementierung eines komplexen iterativen Lösungsverfahrens, z.B. eines hybriden numerischen Lösungsverfahren, das unterschiedliche Programme einbindet. Eine orientierungsabhängige Kontaktwinkelhysterese auf periodischen Oberflächentopographien konnte in numerischen Modellen der Fluiden Grenzflächen unter Betrachtung von beliebigen periodischen Randbedingungen untersucht werden. Die Umsetzung der periodischen Randbedingungen erwies sich als deutlich schwerer als zunächst erwartet, da die angebotenen Strukturen im Programm Surface Evolver auf die Untersuchung von periodischen Minimalflächen ausgelegt sind. Letztendlich konnten die anfänglichen Probleme gelöst werden, so dass nun die Bearbeitung vieler Fragestellungen der Benetzung in Zukunft möglich sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Directional liquid wicking in regular arrays of triangular posts, Langmuir 35, pages: 16476-16486 (2019)
Ban-Yang Liu, Ralf Seemann, Li-Jen Chen, Martin Brinkmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b03032)
