Dynamik des Reißens flüssiger Filme
Final Report Abstract
Im Berichtszeitraum wurden experimentelle Untersuchungen zur Stabilität, zur Dynamik und zum Reißen freitragender smektischer Filme durchgeführt. Ein besonderer Aspekt dieser Untersuchungen war zum einen der Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras, die Zeitauflösungen von bis zu einigen hundert Bildern pro Sekunde erlaubten. Ein zweiter Aspekt war die Untersuchung solcher Filme unter den Bedingungen der Mikrogravitation, die die Präparation und Beobachtung frei schwebender smektischer Blasen erlaubte, und sowohl die Schwingungsanalyse als auch die Entstehung von Filamenten und Tubuli während des Reißens solcher Blasen gestattete. Wir haben zeigen können, dass die Dynamik geschlossener smektischer Filme für kleine Durchmesser, große Filmdicken und kurze Zeiten durch die Bewegung von Dislokationen in der Ebene der Filme bestimmt ist. Wegen der Schichtstruktur der Filme kann bei einer Reduktion der Filmoberfläche überschüssiges Material nur in ‚Inseln‘ auf dem Film abgelegt werden, das Wachstum dieser Inseln ist nur durch die Bewegung von Schichtstufen, das heißt Dislokationslinien möglich. Weil die Oberflächenspannung hinter diesem Effekt zurücktritt, verhalten sich solche smektischen Filme eher ähnlich zu Vesikeln als zu Seifenfilmen. Die Beobachtung dieser Dislokationsdynamik ist im Projekt erstmals auf quantitative Weise erfolgt, diese Untersuchungen sollten fortgesetzt werden. Gemäß den geplanten Aufgabenstellungen konnten folgende Probleme gelöst werden: Es konnte ein Modell für die Streuung des transmittierten Lichtes in reißenden smektischen Filmen aufgestellt werden und second-sound-Wellen konnten als Ursache identifiziert werden. Die Filamentierung der Kanten reißender dünner Filme konnte durch Anwendung eines von Villermaux et al. vorgeschlagenen Modells für Seifenfilme erklärt werden. Die smektischen Filme erweitern den der Beobachtung zugänglichen Filmdickenbereich ins Nanometergebiet. Weitere Untersuchungen im Projekt wurden an smektischen Schäumen durchgeführt. In Langzeitversuchen konnte die Struktur natürlicher Schäume aus smektischen Membranen analysiert werden und Alterungsprozesse dokumentiert und mit theoretischen Modellen verglichen werden. Smektische Schäume wurden in diesem Projekt erstmals hergestellt und quantitativ untersucht. Auf Grund der deutlich geringeren Einflüsse von Drainage erweisen sich smektische Schäume als besonders geeignet zur Strukturcharakterisierung und zur quantitativen Analyse der Eigenschaften natürlicher Schäume (das heißt Schäume mit einer asymptotischen Gleichgewichtsverteilung von n-Polygonzellen). Alle Untersuchungen erfolgten an zweidimensionalen Schäumen. Schwingungen frei schwebender Seifenblasen wurden quantitativ analysiert und sowohl mit mathematischen Modellen als auch mit numerischen Simulationen verglichen. Diese Ergebnisse sind insbesondere im Kontext der Untersuchung schwingender smektischer Blasen relevant, um die Einflüsse von Kapillarkräften, Viskositäten und der Dislokationsdynamik in der smektischen Phase voneinander zu separieren. In Schäumen mit höherem Anteil der flüssigen Komponente wurde der Einfluss der Dekoration der Plateaugrenzen mit flüssigem Material untersucht, und es konnte eine negative Linienspannung der smektischen Plateaugrenzen nachgewiesen werden. Dieser Effekt erwies sich als größer als durch Modelle vorhergesagt, was mit der komplexeren inneren Struktur der smektischen Phase (im Vergleich zu Seifenfilmen) erklärt werden kann.
Publications
- Oscillations of soap bubbles. New J. Phys., 12 073031, (2010)
U. Kornek, F. Müller, K. Harth, A. Hahn, S. Ganesan, L. Tobiska, and R. Stannarius
- Smectic foams. Langmuir, 26 7899, (2010)
T. Trittel, Th. John, and R. Stannarius
- Plateau borders of smectic liquid crystalline films. Phil. Mag., 91 2343, (2011)
T. Trittel, R. Aldred, and R. Stannarius
- Dynamics of freely floating smectic bubbles. Europhys. Lett., 100 16003, (2012)
K. May, K. Harth, T. Trittel, and R. Stannarius
(See online at https://doi.org/10.1209/0295-5075/100/16003) - Measurement of the interface tension of smectic membranes in water. Phys. Chem. Chem. Phys., 15 7204, (2013)
K. Harth and R. Stannarius
(See online at https://doi.org/10.1039/c3cp44055a) - Rim instability of bursting thin smectic films. Phys. Fluids, 25 052106, (2013)
T. Trittel, Th. John, K. Tsuji, and R. Stannarius
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4807377)
