Tropfenablösung von komplexen Flüssigkeiten
Final Report Abstract
Das Projekt „Tropfenablösung komplexer Flüssigkeiten“ hat sich mit den physikalischen Mechanismen der Tropfenablösung von Polymerlösungen beschäftigt. Im Gegensatz zu einfachen - Newtonschen - Flüssigkeiten reißt ein Tropfen nicht in Form einer Singularität in endlicher Zeit von der Kapillare ab, sondern der Abriss ist stark verzögert, und es bildet sich ein langlebiger viskoelastischer Faden aus. Man geht davon aus, dass in dem Faden ein idealer Dehnungsfluss herrscht, und die stark erhöhte Dehnungsviskosität der Polymere führt zu der hohen Stabilität des viskoelastischen Fadens. Das Projekt war vornehmlich experimenteller Natur und hatte drei grundsätzliche Ziele: erstens die Quantifizierung des finalen Instabilitätsmechanismus des viskoselastischen Fadens, zweitens die Visualisierung des Strömungsfeldes in dem viskoelastischen Faden und drittens die Visualisierung einzelner Makromoleküle in der Strömung. Bei der Charakterisierung der finalen Instabilität des Fadens konnte gezeigt werden, dass es mindestens vier verschiedene Arten von Tröpfchen gibt, die am Schluss des Verjüngungsprozesses des viskoelastischen Fadens entstehen. Aufgrund einer neuartigen hohen experimentellen Auflösung im 10nm-Bereich durch Auswertung des Nahfeldbeugungsfeldes des optischen Lichts konnte auch nachgewiesen werden, dass alle Tropfenarten zumindest zu Beginn ihrer Entstehung ein exponentielles Wachstum aufweisen und damit infolge einer Art Rayleigh-Plateau-Instabilität entstehen. Am Ende des Ablöseprozesses konnte eine strömungsinduzierte Phasenseparation, die zu einem festen, langlebigen Polymerfaden von unter 100nm Dicke führt, erstmals beobachtet und charakterisiert werden. Die Visualisierung des Strömungsfeldes in dem viskoelastischen Faden konnte trotz der anspruchsvollen Geometrie zufriedenstellend durchgeführt werden. Auch die Probleme aufgrund der zylinderlinsenförmigen Geometrie der Probe, die sich im Lauf der Zeit verdünnt, sowie die kleinen Längen und Zeitskalen konnten mit Hilfe des beantragten Lasersystems und der Kamera bewältigt werden. Das Ziel, ein einzelnes fluoroszent markiertes DNS-Molekül im frei stehenden viskoelastischen Faden zu visualisieren, konnte trotz der Vorarbeiten zur Strömungsvisualisierung nicht erreicht werden. Zunächst waren technische Probleme mit dem neuen Lasersystem für eine Verzögerung des Projekts verantwortlich, aber schließlich hat sich gezeigt, dass die Lichtintensitäten nicht für eine Aufnahme ohne Immersionsobjektiv und geeigneter Probenkammer ausreichen. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe der Universität Liège wurde noch das Verhalten von auf Flüssigkeitsoberflächen springenden Tropfen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Dehnungsrheologie der Tropfenflüssigkeit einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität der Dynamik des Hüpfvorgangs hat, und es konnten die Übergänge von harmonischen Oszillationen zu chaotischen Bewegungen charakterisiert werden.
Publications
- “Droplet detachment and bead formation in visco-elastic fluids”, Phys. Rev. Lett., 95, 164504 (2005)
C. Wagner, Y. Amarouchene, D. Bonn, J. Eggers
- “Molecular configuration in droplet detachment of complex liquids”, Phys. Rev. E 75, 051805 (2007)
R. Sattler, A. Kityk, C. Wagner
- “Blistering pattern and formation of nano-fibers in capillary thinning of polymer solutions”, Phys. Rev. Lett. 100, 164502 (2008)
R. Sattler, C. Wagner, J. Eggers
- "The final stages of capillary break-up of polymer solutions", Phys. Fluids 24, 023101 (2012)
R. Sattler, S. Gier, J. Eggers, C. Wagner
(See online at https://doi.org/10.1063/1.3684750)
