Tropfenaufprall auf hydrophobe nanoporöse Oberflächen: Mechanismen zur Bildung neuartiger Luftfilme

• Antragsteller: Dr. Günter K. Auernhammer
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456180046

Tropfenaufprall auf festen Oberflächen ist ein in Natur und Technik allgegenwärtiges Phänomen. Die Dynamik des Luftfilms unter auftreffenden Tropfen ist entscheidend für das Ergebnis des Tropfenaufpralls. Für glatte Substrate ist die Dynamik dieses Luftfilms gut untersucht. Jedoch fehlt auf nanoporösen (oder allgemein rauen) Oberflächen noch ein grundlegendes Verständnis der Stabilität und Dynamik des Luftfilms. Bei Vorversuchen haben wie einen neuartigen Luftfilm unter auftreffenden Tropfen auf nicht benetzenden nanoporösen Aluminiumoxidoberflächen bei Umgebungsbedingungen beobachtet. Wir vermuten, dass der Ursprung dieses neuartigen Luftfilms die in den Poren eingeschlossene Luft unter dem auftreffenden Tropfen ist. Die Bildung und Dynamik des Luftfilms werden durch die Oberflächenstruktur, die Flüssigkeitseigenschaften und die Umgebungsbedingungen beeinflusst. Dieses Projekt konzentriert sich auf die Entstehung, Dynamik und Eigenschaften dieses neuartigen Luftfilms auf nanoporösen Oberflächen und untersucht den Einfluss verschiedener Faktoren und der zugrunde liegenden Physik. Wir werden verschiedene nanoporöse Oberflächen (mit offenen und geschlossenen Poren) verwenden, bei denen wir den Porendurchmesser und die Porenlänge systematisch variieren. Mittels Rasterelektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie charakterisieren wir die Oberflächenstrukturen. Die Dynamik des Aufprallprozess erfassen wir mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen in Seitenansicht und schneller Konfokalmikroskopie von unten. Die Tropfenaufprallexperimente werden unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Der Umgebungsluftdruck, die Oberflächentemperatur, die Substratneigung, sowie die Oberflächenspannung und die Viskosität des Tropfens werden systematisch werden. Daraus messen wir den maximalen Tropfenradius, den Radius der Kontaktfläche sowie die Dynamik und Lebensdauer des Luftfilms, z. B. Radius und Dicke. Mit diesen Informationen sollen die zugrundeliegenden Mechanismen bestimmt werden. Zusätzlich bestimmen wir die kritischen Auftreffgeschwindigkeiten für das Zurückspringen (“bouncing”) und Spritzen (“splashing”) der Tropfen. Erhitzte Substrate führen zu einer stärkeren Verdunstung des Tropfens, bilden also eine Gasquelle zwischen Tropfen und Substrat. Niedrigerer Luftdruck verringert die Gasmenge zwischen dem Tropfen und dem Substrat. Auch Oberflächen mit offenen Poren reduzieren den Luftfilm, da Luft durch die Poren entweichen kann. Zusammenfassend zielen wir auf ein quantitatives Verständnis der Stabilität und Dynamik des Luftfilms beim Tropfenaufprall auf nanoporöse Oberflächen und seine Auswirkung auf das Zurückspringen und Spritzen der Tropen. Die Ergebnisse sollen das rationale Design funktionaler Oberflächen ermöglichen, auf denen die Eigenschaften und Dynamik des Luftfilms benutzt werden, um mittels dynamischer Prozesse besondere Nichtbenetzungseigenschaften zu erzielen, was direkte Auswirkungen auf Wärmeübertrag und den Strömungswiderstand hat.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen