Flüssigmetall-basierte Kontaktwinkelmessung im Vakuum

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sergej Fatikow
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451242348

Die Messung von Kontaktwinkeln ist ein Standardverfahren zur Charakterisierung der Benetzbarkeit und Energie von Oberflächen, die wiederum für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Biologie, Medizin, und MEMS/NEMS, wichtig sind. Aus diesem Grund wurden mehrere Verfahren für statische und dynamische Kontaktwinkelmessungen auf der Makro- und oberen Mikroskala entwickelt. Darüber hinaus gab es auch Bestrebungen, Kontaktwinkel auf der Nanoskala und unter Vakuumbedingungen zu messen. Aufgrund der hohen Verdampfungsraten und der Schwierigkeit, kleine Tropfen zu manipulieren und zu handhaben, gibt es jedoch immer noch keine Methodik für zuverlässige und wiederholbare Kontaktwinkelmessungen auf der Mikro- und Nanoskala. Dies führt zu einem Mangel an zuverlässigen experimentellen Ergebnissen über die Kontaktmechanik von einzelnen und wenigen Asperiten, um die verfügbaren Ergebnisse aus Theorie und Simulation zu verifizieren. Hinzu kommt, dass die vorhandenen Techniken auf hochspezialisierte Anwendungen beschränkt sind und deshalb keine systematischen Untersuchungen erlauben.Auf Grund ihres vernachlässigbaren Dampfdrucks sind Flüssigmetalllegierungen auf Galliumbasis vielversprechende Kandidaten für die Erzeugung von Tröpfchen im Nanobereich. Jedoch werden sie unter Umgebungsbedingungen nahezu sofort von einer Oxidschicht umschlossen, die den Kontakt zwischen Flüssigkeit und Festkörper verhindert und die Flüssigmetalltropfen damit für eine Kontaktwinkelmessung ungeeignet macht. Bei der Herstellung im Vakuum (z.B. durch Elektromigration) können diese Flüssigmetalltropfen jedoch eine lange Zeit einen oxidfreien Zustand beibehalten und zur Charakterisierung der Benetzbarkeit von Oberflächen mit unterschiedlicher Textur unter Vakuumbedingungen, d.h. ohne den Einfluss der Umgebungsatmosphäre, verwendet werden.Dieses Projekt hat die Weiterentwicklung und Optimierung eines neuartigen Kontaktwinkelmessverfahrens zum Ziel, das oxidfreie nanoskopische Flüssigmetalltröpfchen verwendet und unter HV-Bedingungen in der Vakuumkammer eines Rasterelektronenmikroskops eingesetzt wird, um eine visuelle Extraktion von Kontaktwinkelwerten zu ermöglichen. Diese Methode soll dann für eine systematische Untersuchung der Kontaktmechanik von wenigen und einzelnen Asperiten auf einer bisher unzugänglichen Längenskala unterhalb von 10 Mikrometer verwendet werden. Die Ergebnisse werden zur Verifizierung der bestehenden Ergebnisse aus Theorie und Simulation verwendet werden, um damit das allgemeine Verständnis der Benetzung und der Kontaktmechanik zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern auf dieser Größenskala zu vertiefen. Darüber hinaus wird die Messmethode anhand von konkreten Anwendungsfällen validiert, um ihre Anwendbarkeit für die Untersuchung der Benetzungseigenschaften von Materialien aus hoch relevanten und bisher schwer experimentell zugänglichen Materialbereichen, wie z. B. Partikeln zur gezielten Medikamentenabgabe und Mikroplastikpartikeln, aufzuzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen