Benetzung auf weichen absorbierenden Substraten: Experiment, Simulation und Theory

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Sissi de Beer; Professor Jacobus Snoeijer, Ph.D.; Professor Dr. Uwe Thiele
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Mathematik ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422913191

Die Benetzung weicher Polymersubstrate ist reich an Phänomenen, die aufgrund der Vielseitigkeit von Polymernetzwerken ein großes Potenzial für das Design adaptiver Oberflächen darstellen. Große Fortschritte wurden bei elastokapillaren Phänomenen für den Fall erzielt, dass Flüssigkeitstropfen nicht in das Substrat absorbiert werden. Allerdings können Polymersubstrate, gesteuert durch die physikalische Chemie des Substrats und die Umgebungsbedingungen, ihre Funktionalität durch die Absorption von Flüssigkeiten und Dämpfen erheblich verbessern. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, muss man daher über nicht-absorbierende Systeme hinausgehen und neue Mechanismen einbeziehen, die zu den in Phase 1 untersuchten elastokapillaren Phänomenen für nicht-absorbierende Substrate hinzukommen.Das Folgeprojekt in Phase~2 zielt darauf ab, eine kohärente Multiskalenbeschreibung zu erhalten und experimentell zu validieren, die die Benetzungsdynamik auf weichen absorbierenden Substraten vorhersagt. Es werden verschiedene Versuchsaufbauten, Molekulardynamiksimulationen, nichtlineare makroskopische Poroelastizitätstheorie und effektive mesoskalige Gradientendynamikmodelle entwickelt, um das Verhalten von Tropfen einfacher nichtflüchtiger und flüchtiger Flüssigkeiten auf Polymerbürsten und Hydrogelschichten zu untersuchen. Diese Kombination soll es uns ermöglichen, das multiskalige Zusammenspiel von Absorption und großen mechanischen Verformungen an ruhenden und bewegten Kontaktlinien zu untersuchen. Dedizierte Experimente und Simulationen werden ermöglichen, alle Modelbestandteile zu kalibrieren und zu validieren, die für die systematische Einbeziehung neuer Wechselwirkungen und Routen des Stofftransfers in unser flexibles Gradientendynamikmodell erforderlich sind.Anschließend werden wir untersuchen, wie sich das Quell- und Spreitungsverhalten ändert, wenn statt einer Flüssigkeit ein Gemisch verwendet wird. Da sich die Zusammensetzung des im Substrat absorbierten Gemisches von der Tropfenzusammensetzung unterscheiden wird, ist zu erwarten, dass nichtlineare Einflüsse der Tropfenzusammensetzung auf die Bürstenbenetzung und Mischungseffekte die Tropfenausbreitung und die Kontaktlinienbewegung verändern. Schließlich untersuchen wir, wie das faszinierende Nicht-Gleichgewichtsphänomen der Stick-Slip-Bewegung getriebener Kontaktlinien von den Eigenschaften der absorbierenden Substrate abhängt.In allen Phasen wird das Projekt in enger Zusammenarbeit zwischen Theorie (Westfülische Wilhelms-Universität Münster), Experiment und Simulation (Universität Twente) durchgeführt. Der flexible Rahmen für die Modellierung der Gradientendynamik wird anderen SPP-Projekten zur Verfügung stehen und ganz allgemein ein Instrumentarium für die Untersuchung und das Design weicher absorbierender Substrate bieten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2171: Dynamische Benetzung flexibler, adaptiver und schaltbarer Oberflächen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Andrew J. Archer, Ph.D.; Professor Dr. Harald Van Brummelen