Nanoblasen: Stabilität und Manipulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mikro- und Nanofluidik sind schnell wachsende Forschungsgebiete mit großem Potenzial für Anwendungen beispielsweise bei neuen Technologien oder in der Medizin. In Mikro- und Nanofluidik ist das Verhalten von Flüssigkeiten in sehr kleinen Strukturen von großer Bedeutung. Mit zunehmender Miniaturisierung werden Oberflächeneffekte immer wichtiger: Was geschieht an der Grenze zwischen Flüssigkeit und Wand? Eine ausreichende Kontrolle von Strömungen in mikroskopischen oder nanoskopischen Geometrien ist daher nur möglich, wenn man das Verhalten des Fluids an seinen Grenzflächen versteht. Aktuelle Experimente legen den Schluss nahe, dass sich an hydrophoben Oberflächen in Wasser sog. Nanoblasen, nanoskalige Gas- oder Dampfblasen bilden, mit signifikanten Auswirkungen auf die Flüssigkeit/Wand-Grenzschicht und Strömungen auf kleinen Längenskalen. So gelten Nanoblasen beispielsweise als vielversprechender Kandidat zur Erklärung der experimentell auf kleinen Längenskalen beobachteten Verletzung eines mehr als 200 Jahre alten Dogma: der hydrodynamischen Randbedingung, dass eine Flüssigkeit in Kontakt mit einer Wand keinen Schlupf hat. Trotz zahlreicher Experimente zu Nanoblasen gab es diesbezüglich überraschend wenige theoretische Untersuchungen. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, zum besseren theoretischen Verständnis des Phänomens Nanoblasen und der Flüssigkeit/Wand-Grenzschicht mittels Molekulardynamik Simulationen beizutragen. Da die Experiemte zu Nanoblasen nahe legen, dass in der Flüssigkeit gelöste Gase signifikanten Einfluss auf die Flüssigkeit/Wand-Grenzschicht haben können, wurden in diesem Forschungsprojekt schwerpunktmäßig Molekulardynamik Simulationen durchgeführt, um die Auswirkungen von Gasen auf Flüssigkeit/Wand-Grenzschichten besser zu verstehen. Es zeigt sich, dass sich in der Flüssigkeit gelöste Gase an der Flüssigkeit/Wand-Grenzschicht anreichern. Diese Anreicherung mit Gas nimmt mit wachsender Hydrophobizität der Wand (wachsender Kontaktwinkel) zu und kann für hydrophobe Oberflächen mehr als zwei Größenordnungen im Vergleich zur Gasdichte in der Flüssigkeit betragen. Als Konsequenz wird die Struktur der Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe zur Wand maßgeblich modifiziert, was zu einer Vergrößerung des nanoskopischen Schlupfes führt. Diese Ergebnisse untermauern die Bedeutung von Gasen für die Oberflächeneffekte in mikroskopischen und insbesondere nanoskopischen Strukturen und sollten Berücksichtigung finden bei zukünftigen Experimenten zur Nanofluidik bzw. bei der Entwicklung von nanofluidischen Bauteilen. Darüber hinaus liefern diese Ergebnisse wichtige Beiträge zum Verständnis des Phänomens Nanoblasen: Beispielsweise wird die Interpretation der Nanoblasen als Gas- und nicht als Dampfblasen gestützt und die beobachtete Gasanreicherung mag ein Schlüssel zur Bildung von Nanoblasen sein, was zukünftige Untersuchungen zeigen müssen. Die theoretischen Untersuchungen dieses Projektes erfolgten in engem Kontakt mit experimentellen Arbeiten zu Nanoblasen. Ein wesentliches und überraschendes Ergebnis dieser experimentellen Arbeiten ist, dass Nanoblasen bei der Reduzierung des Druckes in der Flüssigkeit nicht als Kavitationskeime dienen. Damit sind Nanoblasen nicht nur unter normalen Bedingungen sondern auch bei enormer Druckreduzierung in der Flüssigkeit stabil. Dieses Phänomen haben wir als Superstability bezeichnet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Gas Enrichment at Liquid-Wall Interfaces, Physical Review Letters 96, 206101 (2006)
S.M. Dammer, D. Lohse
- Interaction of cavitation bubbles on a wall, Physics of Fluids 18, 121505 (2006)
N. Bremond, M. Arora, S.M. Dammer, et al.
- Characterization of nanobubbles on hydrophobic surfaces in water, Langmuir 23, 7072 (2007)
S.J. Yang, S.M. Dammer, et. al.
- Superstability of Surface Nanobubbles, Physical Review Letters 98, 204502 (2007)
B.M. Borkent, S.M. Dammer, et. al.
