Flüssigkeiten auf schaltbaren vorstrukturierten Substraten - von mikroskopischen zu mesoskopischen Modellen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Svetlana Gurevich; Professor Dr. Andreas Heuer
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422792072

In diesem Projekt werden die statischen und dynamischen Eigenschaften einer einfachen Flüssigkeit auf einem schaltbaren vorstrukturierten Substrat aus einer numerischen / theoretischen Perspektive in engem Kontakt zu den experimentellen und theoretischen Projekten des SPP untersucht. Während das Benetzungsverhalten auf homogenen und vorstrukturierten Substraten gut verstanden ist, soll in diesem Projekt ein umfassendes Verständnis der resultierenden Nichtgleichgewichtseffekte beim Schalten erhalten werden. Dabei spielen auch die neuen externen Zeitskalen des periodischen Schaltens eine wichtige Rolle. Besondere Effekte werden z.B. für die Benetzung nahegelegener hydrophiler Streifen erwartet, die sowohl einfache benetzende Tropfen als auch Brückenstrukturen ausbilden.Für ein umfassendes Verständnis des Systems ist es von zentraler Bedeutung, unterschiedlicher Längen- und Zeitskalen zu betrachten. Um beispielsweise den Schaltprozess selbst zu berücksichtigen, ist eine mikroskopische Analyse erforderlich. Dazu wird das Schalten von photoaktiven Molekülen und deren Einfluss auf die Flüssigkeit über Moleküldynamiksimulationen (MD) explizit untersucht. Im Gegensatz dazu ist für die Untersuchung des Langzeitverhaltens ein Kontinuumsansatz am besten geeignet, um z.B. das dynamische Verhalten und die auftretenden Instabilitäten zu analysieren. Für spezifische Fragestellungen werden auf Basis der Expertise der beiden PIs Kraftfeld- und Gittergas-Simulationen einerseits sowie mesoskopische Dünnfilmmodelle zur Untersuchung der Gradientendynamik an Grenzflächen-Hamiltonians andererseits durchgeführt.Um eine quantitative Anpassung zwischen diesen Ansätzen zu erreichen, verwenden wir spezielle Multiskalen-Techniken, um die Parameter, die für die mesoskopische Dünnschichtgleichung übergeben werden, zu bestimmen. Das umfasst die Grenzflächenspannung sowie das Benetzungspotential. Für MD-Simulationen kann die Information direkt aus der Berechnung geeigneter Viriale erhalten werden, wohingegen für den Fall eines Gittergasmodells eine verbrückende mikroskopische Dichtefunktionaltheorie verwendet wird, wie sie kürzlich in einer Zusammenarbeit beider PIs entwickelt wurde. Die aufeinander abgestimmte Modellhierarchie soll es uns ermöglichen, entscheidende Aspekte von Nichtgleichgewichtsdepositions- und Umlagerungsprozessen der Moleküle über mehrere Längen- und Zeitskalen hinweg quantitativ zu verstehen.Während dieser drei Jahre möchten wir (i) umfassende Erfahrungen mit den relevanten theoretischen Werkzeugen gewinnen, (ii) ein gutes Verständnis von Nichtgleichgewichtseffekten als Folge der Schaltprozesse erhalten und (iii) in enger Zusammenarbeit mit den entsprechenden experimentellen Gruppen der SPP diese Ergebnisse auf die spezifischen Interaktionsparameter ihrer Experimente anwenden (z. B. für gegebene Oberflächenstruktur und Kontaktwinkel).

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