Phasenübergangsdynamik überhitzter Flüssigkeiten an Grenzflächen auf kurzen Zeitskalen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes „Phasenübergangsdynamik überhitzter Flüssigkeiten an Grenzflächen auf kurzen Zeitskalen" wurde die Dynamik des Phasenübergangs flüssig - gasförmig in dünnen aufkondensierten Isopropanolfilmen mittels optischer Reflektrometrie untersucht. Der Phasenübergang wurde durch Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahles induziert. Folgende wichtigen Ergebnisse wurden erzielt: Die Isopropanolfilme beschreiben nach Verdampfen einer Flüssigkeitsschicht an der Grenze zum Festkörper eine Wurfparabel und kehren nach einer Zeit im Bereich von 100ns-400ns zur Oberfläche zurück. Eine genauere Analyse zeigt, dass nach einer ersten Beschleunigungsphase aufgrund des Phasenübergangs die Flüssigkeitsfilme durch den Außendruck abgebremst und auf die Oberfläche zurückbeschleunigt werden. Die erste Beschleunigungsphase resultiert dabei aus dem Verdampfen einer nur wenige nm dicken Flüssigkeitsschicht, die den Rest des Films von der Oberfläche wegtreibt. Die Bewegungsgleichung des Flüssigkeitsfilmes lässt sich unter der Annahme einer polytropen Volumenausdehnung unter Zuhilfenahme von numerischen Wärmeleitungsrechnungen lösen und gibt die beobachtete Bewegung exakt wieder. Der Phasenübergang im Isopropanolfilm ist nach einer Zeit unterhalb 700ps abgeschlossen. Gleichartige Experimente mit festen kondensierten Filmen aus CO2 zeigen eine andere Energieabhängigkeit: Im Gegensatz zur Desorption von flüssigen Filmen nimmt für feste Filme die Geschwindigkeit mit zunehmender Energiedichte ab. Dieses Verhalten konnte auf die offene Porosität der C02-Filme und einen damit verbundenen Druckverlust zurückgeführt werden. Für den bei festem CO2 stattfindenden Sublimationsübergang zeigte sich, dass der Phasenübergang einsetzt, sobald in der CO2-Schicht eine Temperatur von TPU =276 K erreicht wurde. Dies entspricht einer Überhitzung von 120 K. Damit konnte mit diesem Experiment ein neuer Bereich bei der Dynamik von Phasen Übergängen erschlossen werden: Das Phänomen der Überhitzung bei Schmelz- und Verdampfungsvorgängen ist zwar nicht neu, beim direkten Übergang von der festen in die gasförmige Phase sind solche Untersuchungen jedoch unbekannt, so dass innerhalb dieser Arbeit wohl erstmals eine Überhitzung bei der Sublimation beobachtet wurde. Bezüglich der Anwendung haben die Ergebnisse eine gewisse Relevanz für das sogenannte Steam Laser Cleaning, bei dem zur Entfemung von Partikeln eine Flüssigkeilsschicht aufder Oberfläche kondensiert und dann mittel eines Laserpulses desorbiert wurde. Im Moment wird untersucht ob sich die Reinigungsergebnisse verbessem lassen, wenn statt eines räumlichen Gaußprofiles Interferenzmuster verwendet werden, die zum Aufreissen der fliegenden Flüssigkeitsschicht führen könnten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Liquid-vapour phase transitions at interfaces: suh-nanosecond investigations by monitoring the ejection of thin liquid films, New J. Phys. 8, 14(2006)
F. Lang, P. Leiderer
- Matrix Laser Cleaning: A New Technique for the Removal of Nanometer Sized Particles from Semiconductors, Appl. Phys. A 88, 227-230 (2007)
J. Graf, B. S. Luk Yanchuk, M. Mosbacher, M. H. Hong, C. T. Chong, J. Boneberg, P. Leiderer
- „Dynamik der Laserablation von CO2-Filmen" Konstanz 2007
Johannes Graf
- „Liquid-Vapor Phase Transitions at Solid Surfaces" Konstanz 2007
Florian Lang
- Femtosecond laser near field ablation, Laser & Photon, 2008
A. Plech, P. Leiderer, J. Boneberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/lpor.200810044) - Infrared steam laser cleaning, Appl. Phys. Lett. 93, 1-4 (2008)
P. Frank, F. Lang, M. Mosbacher, J. Boneberg, P. Leiderer
