Gerichtete Benetzungsphänomene auf mikrostrukturierten Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Seemann
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388600905

Oberflächen die mit mikroskopisch kleinen Strukturen versehen sind, besitzen oft ungewöhnliche Benetzungseigenschaften. Flüssigkeiten, die in Kontakt mit Oberflächen gebracht werden, die mit regelmässigen Mikrostrukturen ausgestattet sind, bewegen sich häufig nicht gleichmässig in alle Richtungen. In vielen Fällen kann eine deutlich erhöhte Beweglichkeit in ausgewählte Richtungen der Strukturierung beobachtet werden. Zeil des Vorhabens ist eine umfassende Untersuchung von gerichteten Benetzungsphänomenen auf Oberflächen, die mit einfachen periodischen Mikrostrukturen aus Säulen konstanten Querschnitts dekoriert sind. Hier soll zunächst der Fall untersucht werden, in dem die Flüssigkeit die strukturierte Oberfläche nur partiell benetzt, also Tropfen ausbildet, deren Ausdehnungen die typischen Längenskala der Strukturen deutlich übersteigen. Die Benetzungswinkel unter denen die Flüssig-Luft Grenzfläche des Tropfen gerade beginnt voranzuschreiten bzw. zurückzuschreiten werden von der Ausrichtung der Grenzfläche gengenüber der Mikrostruktur bestimmt. Diese voranschreitenden sowie rückschreitenden Benetzungswinkel sollen mithilfe von numerischen Modellen der Grenzfläche sowie der Mirkostrukturen berechnet werden. Das hierbei typischerweise unstete Voranschreiten der Grenzfläche kann durch eine Reihe von charakteristischen Instabilitäten der Flüssigkeitsoberfläche beschrieben werden, die an der Dreiphasengrenze zwischen Flüssgikeit, Luft und dem benetzten Material auftreten. Im Fall von gut beneztbaren Materialien kann die Flüssigkeit von den Mikrostrukturen aufgesaugt werden und in der Folge einen Benetzungsfilm ausbilden, der den Raum zwischen den Säulen füllt. Hierbei zeigt sich ebenfalls eine starke Richtungsabhängig der Flüssigkeitbewegung, die ggf. zu einer Facettierung des sich ausbreitenden Films führen kann. Die dieser Facettierung zugundenliegenden Mechanismen sollen ebenfalls in numerischen Modellen der Grenzfläche und der Mirkostrukturen untersucht werden. Sind die richtungsabhängigen Benetzungseigenschaften einer mikrostrukturierten Oberfläche sehr stark, so besteht die Möglichkeit, dass Tropfen mit anwachsendem Volumen verschiedene Formen ausbilden. Diese Tropfenformen sollen für vorgebenene richtungsabhängige voranschreitende Kontaktwinkel in einem numerischen Model berechnet werden. Ist der Kontrast für den voranschreitenden Kontaktwinkel zwischen verschiedenen Richtungen hinreichend gross, tritt ein unidirektionales Wachstum der Tropfen in Form von Filamenten auf. Bei kleinen Kontrasten hingegen wird die Form des wachsenden Tropfens lediglich durch eine deformierte Kugelkappe beschrieben. Um weitergehende Aussagen über die Richtungsabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindikeit der Flüssgikeitsfilme zu erhalten, sollen viskose Strömungswiderstände in verschiedenen Strukturen berechnet werden, die zur Formulierung eines vereinfachten Model der Flüssigkeitsfilms benötigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Taiwan
• Mitverantwortlich: Dr. Martin Brinkmann, Ph.D.
• Kooperationspartner: Professor Dr. Li-Jen Chen