Dynamische Elektrobenetzung an Nanoporösen Oberflächen: Schaltbare Tropfenspreitung, Imbibition und Elastokapillarität

• Antragsteller: Professor Dr. Patrick Huber
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422879465

Elektrisch leitfähige Substrate, wie nanoporöse Metalle und Halbleiter, erlauben eine Kontrolle von Benetzungsenergien von Elektrolyten durch elektrische Felder. Dadurch ist es möglich, Tropfenformen und die Spreitdynamik von Flüssigkeitsfilmen auf Oberflächen zu kontrollieren. Auch die Imbibitionskinetik in den Porenraum ist über elektrisch steuerbare Krümmungen der Flüssigkeitsmenisken im Porenraum einer externen Kontrolle zugänglich und damit prinzipiell schaltbar. Weiterhin führen die enormen Laplace-Drücke, wie sie typischerweise in nanoporösen Medien in Anwesenheit von Flüssigkeiten auftreten, zu merklichen Deformationen der porösen Festkörper und damit im Falle von Elektrobenetzung zu einer potentialabhängigen Kopplung der Kapillarität der Flüssigkeit mit der Elastizität des Festkörpers, also elektrisch schaltbarer Elastokapillarität. Das komplexe Wechselspiel dieser Phänomenologien (Tropfenformdynamik, Infiltrationsdynamik und Deformationsverhalten) ist bis heute kaum erforscht. In diesem Projekt soll unter kontrollierten äußeren elektrischen Potentialen die Benetzungsdynamik von wässrigen Elektrolyten und die damit eng verknüpfte Deformationskinetik an maßgeschneiderten Siliziumoberflächen, die von parallelen tubularen Nanoporen durchzogen sind, experimentell erforscht werden. Sowohl direkte als auch Elektrobenetzung mit Dielektrikum durch teilweise Oxidierung der Porenwände sollen untersucht werden. Die Existenz von Precursorfilmen im Porenraum, das Tropfenspreiten, die Imbibitionskinetik und die makroskopische (Substrat-) und mikroskopische (atomare) Deformation des einkristallinen Siliziums soll mit Hilfe von zeitabhängigen Tropfenformanalysen, opto-fluidischer Interferometrie, Dilatometrie und Synchrotron-basierter Röntgendiffraktion studiert werden, bei systematischer Variation der Porendurchmesser und der Porosität. Diese Experimente sollen in enger Kooperation mit Projekten dieses Schwerpunkts analysiert werden, die sich mit mesoskopischer Modellierung und Simulation der Flüssigkeitsdynamik, Elektrokinetik, Imbibition und Elastokapillarität an planaren und porösen Oberflächen befassen. Das übergeordnete Ziel ist hierbei, ein prädikatives, fundamentales Verständnis der elektrisch schaltbaren statischen und dynamischen Benetzung an nanoporösen Festkörpern zu gewinnen.

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