Benetzung auf strukturierten adaptiven Oberflächen auf Basis von leitfähigen Polymeren für mikrofluidische Anwendungen (PolySurf)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Sabine Ludwigs; Professor Dr.-Ing. Holger Steeb
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505840677

Das Projekt “Benetzung auf strukturierten adaptiven Oberflächen auf Basis von leitfähigen Polymeren für mikrofluidische Anwendungen (PolySurf)”, soll in bestehende Aktivitäten des SPP 2171 zu “Dynamic Wetting of Flexible, Adaptive and Switchable Surfaces” eingegliedert werden. PolySurf basiert auf der Kopplung der interdisziplinären Expertise von Sabine Ludwigs (Polymere, Elektrochemie) und Holger Steeb (Mikrofluidik, Materialmodellierung) und wird sich mit hierarchisch strukturierten weichen Oberflächen beschäftigen, die ihr Benetzungverhalten adaptieren können als Funktion von externen elektrischen Stimuli. Neben Wasserkontaktwinkelmessungen soll die Fluiddynamik in mikrofluidischen Anwendungen untersucht werden. Zur Herstellung der adaptiven Oberflächen wurden leitfähige Polymere identifiziert. Diese finden zunehmend Anwendung für flexible Aktoren und Sensoren, wobei die Grenzflächen zwischen den Polymeroberflächen und Flüssigkeiten hierbei extrem relevant sind. Die Polymere ändern nicht nur ihr optisches und elektronisches Verhalten als Funktion des Dotiergrades, sondern auch die Benetzungseigenschaften. So wurden in der Literatur extreme Änderungen der Oberflächeneigenschaften von superhydrophob zu superhydrophil für neutrale bzw. dotierte Filme berichtet.Ziel von PolySurf ist es ein systematisches Verständnis der dynamischen Benetzung von leitfähigen Polymeroberflächen zu generieren. Auf der Materialseite werden Oberflächen aus lösungsprozessierten Filmen von Poly(ethylendioxythiophen):Poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) sowie von elektropolymerisierten Filmen aus verzweigten Monomeren präpariert. Oberflächenstrukturierungsmethoden wie Imprintlithographie und Elektropolymerisation auf strukturierten Elektroden sollen eine hierarchische Strukturbildung und damit eine Erhöhung der Oberflächenrauigkeit induzieren. Die Charakterisierung wird systematische elektrochemische Untersuchungen in wässrigen Elektrolyten zusammen mit einer Analyse der morphologischen und funktionalen Eigenschaften (Absorption und Leitfähigkeit) beinhalten, u.a. um den Dotiergrad zu bestimmen. Zur Untersuchung des Benetzungsverhalten werden zunächst systematische Kontaktwinkelmessungen durchgeführt. Der Fokus liegt auf Wasser und Wasser/ Ionen Elektrolyten. Oberflächen ohne und mit angelegtem Potential (während in-situ elektrochemischer Messungen) werden hinsichtlich der Benetzung charakterisiert. Als komplementäre Methode wird spektroskopische Ellipsometrie eingesetzt, um Oberflächenvariationen, z.B. Quellen, in direktem Kontakt mit Wasser bzw. Elektrolyt zu untersuchen. Auf diese Weise sollen Informationen über die Adaptivität der Oberflächen erhalten werden. Über die Studie der Dynamik der Dreiphasenkontaktlinien auf Oberflächen hinausgehend, soll der Effekt von entstehenden Benetzungseigenschaften auf Multiphasen-Fluiddynamik in mikrofluidischen Anwendungen betrachtet werden. Langfristig sind elektrochemisch schaltbare mikrofluidische Bauteile anvisiert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2171: Dynamische Benetzung flexibler, adaptiver und schaltbarer Oberflächen