Rheologische Messungen mittels oszillierender Tropfen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Peyman Rostami, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579452955

Das Verständnis der rheologischen Eigenschaften komplexer Flüssigkeiten ist entscheidend für eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem in der Lebensmittelindustrie und beim Tintenstrahldruck. Flüssigkeiten werden im Allgemeinen in Newtonsche und nicht-Newtonsche eingeteilt. Letztere Kategorie umfasst viskoelastische, scher­verdickende und Fließgrenz­flüssigkeiten usw., die komplexe Verhaltensweisen zeigen. Rheometer sind die herkömmlichen Instrumente, um solche Eigenschaften durch Messungen wie Fließkurven, Frequenzsweeps und Large Amplitude Oscillatory Shear (LAOS) zu untersuchen. Obwohl Rheometer sehr aufschlussreich sind, haben sie mehrere Einschränkungen, darunter Trägheitseffekte bei hohen Frequenzen, Schwierigkeiten mit zeitabhängigen Flüssigkeiten (z. B. thixotrope Systeme) sowie den Bedarf an großen Probenvolumina, was für teure Materialien unpraktisch ist. Dieses Vorhaben zielt darauf ab, die Rheometrie zu ergänzen, indem untersucht wird, wie sessile Tropfen komplexer Flüssigkeiten unter kontrollierten Frequenzen und Amplituden oszillieren, wobei Hochgeschwindigkeitsaufnahmen eingesetzt werden. Die Analyse der Tropfenverformung und der Spannungsantwort ermöglicht die Bestimmung rheologischer Eigenschaften, einschließlich des Speichermoduls (G′) und des Verlustmoduls (G″). Diese Technik bietet mehrere Vorteile: Sie erweitert die Messungen auf höhere Frequenzen, verkürzt die Versuchszeit und erfordert nur Proben im Mikroliterbereich. Wir werden die Messungen an die ausgewählten Flüssigkeiten und an die Chirp-Rheometrie anpassen und die Ergebnisse der Tropfenexperimente sowohl mit Rheometriedaten als auch mit veröffentlichten Befunden vergleichen. Die größte Herausforderung besteht darin, dass die natürlichen Oszillationsmoden die Tropfendynamik beeinflussen. Um dies zu überwinden, werden wir das Tropfenvolumen variieren, um die Eigenfrequenz zu verschieben. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die Methode zunächst mit Newtonschen Tropfen zu kalibrieren und sie anschließend auf komplexe Flüssigkeiten anzuwenden. Zudem werden wir Machine-Learning-Modelle entwickeln, die die Antworten in der Nähe der Eigenfrequenzen interpretieren, trainiert mit Daten, die bei niedrigen und hohen Frequenzen erhoben werden. Diese Arbeit wird in Zusammenarbeit mit Professor Constante Amores (University of Illinois Urbana-Champaign) durchgeführt. Für viskoelastische Flüssigkeiten (z. B. Polymerlösungen) werden die Experimente durch numerische Simulationen in Basilisk ergänzt, die in Kooperation mit Professor Constante Amores (University of Illinois Urbana-Champaign) und Professor Mostert (University of Oxford) durchgeführt werden. Die experimentellen Daten werden zur Validierung dieser Simulationen genutzt, welche wiederum den zugänglichen Parameterraum auf höhere Frequenzen und Amplituden erweitern.

• DFG-Verfahren: Stelle