Fabrication and manipulation of non-wetting surfaces and drops : from super liquid-repellency and the Leidenfrost effect to liquid marbles
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Abstract
Das Augenmerk dieser Dissertation liegt auf Tropfen, die den Kontakt mit Oberflächen minimieren. Die Haftkraft der Tropfen an die Oberfläche wird dadurch deutlich reduziert, was in einigen Fällen kann dazu führen kann, dass die Tropfen leicht über sie hinweg gleiten können. Das geringe Benetzungsvermögen der Tropfen beruht auf Luftpolstern, die sich zwischen Tropfen und Oberfläche befinden. Die Luftpolster resultieren entweder aus oberflächen- oder aus tropfenspezifischen Eigenschaften. Ersteres ist der Fall für super-flüssigkeits-abweisende Oberflächen und den Leidenfrost-Effekt, Zweiteres für flüssige Murmeln. Die vorgelegte Dissertation erläutert die grundlegenden Konzepte dieser drei Herangehensweisen, geht auf aktuelle Forschungsentwicklungen ein und präsentiert eigene Forschungsbeiträge auf allen drei Gebieten.
Ein Schlüsselelement super-flüssigkeitsabweisender Oberflächen sind Oberflächen-strukturen im Nano- bis Mikrometerbereich. Diese Strukturen sind allerdings empfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung. Es gibt zahlreiche Bestrebungen, mechanisch verstärkte Oberflächen herzustellen, allerdings ist die Charakterisierung ihrer mechanischen Eigenschaften nicht vereinheitlicht. Kraft-sensitive Messungen ermöglichen den Vergleich von Materialeigenschaften. Es werden die mechanischen Eigenschaften eines Kerzenruß-basierten Testsystems für super-flüssigkeitsabweisende Oberflächen untersucht. Der Einfluss der Berußungsposition innerhalb der Kerzenflamme auf die Benetzungs-eigenschaften wird zunächst evaluiert. Anschließend wird die Rolle der Reaktionsparameter auf die mechanische Stabilität beleuchtet. Dazu wird Rasterkraftmikroskopie mit einem Silikamikropartikel als Eindringkörper gewählt. Die Ergebnisse der Messungen werden mit dem Benetzungsverhalten der jeweiligen Oberflächen in Beziehung gesetzt, wodurch die mechanische Stabilität gegen das Benetzungsverhalten abgewogen werden kann.
Beim Leidenfrost-Effekt gleitet ein Tropfen kontaktlos auf seinem Dampfkissen über eine Oberfläche. Dazu muss die Oberfläche ausreichend heiß sein, bevor der Tropfen mit ihr in Kontakt kommt. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass zunächst ruhende Tropfen auf strukturierten Oberflächen anfangen können zu springen, wenn der Umgebungsdruck sukzessiv verminder wird. Dabei wird ein Leidenfrost-ähnlicher Zustand erreicht. Hier wird gezeigt, dass dieser Effekt nicht nur durch eine Druckänderung, sondern auch durch eine Temperaturänderung der Oberfläche zustande kommen kann. Unter anderem werden tropfenähnliche Hydrogele verwendet, die nahezu nur aus Wasser bestehen (>90 Gew%). Es wird gezeigt, dass Hydrogeltropfen durch einen Temperaturgradienten von flachen Oberflächen gelöst werden und danach kontinuierlich springen können. Diese Beobachtung setzt die kontrollierte Wärmeübertragung in Zusammenhang mit dem Springen von Tropfen und beleuchtet dabei die Rolle der Tropfenform und Elastizität.
Flüssigen Murmeln sind Tropfen, die mit Pulverteilchen ummantelt sind. Die Teilchenschale verhindert, dass die innere Flüssigkeit mit der Oberfläche in Berührung kommt. Flüssige murmeln können sowohl über feste als auch flüssige Oberflächen bewegt werden. Die nichtinvasive, ferngesteuerte Bewegung solcher flüssigen Murmeln ist dabei von großem Interesse. Um dies zu erreichen werden flüssige Murmeln hergestellt, deren Schalenmaterial Licht in Wärme umwandelt. Schwimmt die flüssige Murmel auf einer Wasseroberfläche, kann durch Lichteinstrahlung ein Hitze-basierter Marangoni Fluss auf der Grenzfläche erzeugt werden, der die flüssige Murmel antreibt. Es wird ebenfalls gezeigt, wie die innere Flüssigkeit durch äußere Einflüsse gezielt freigesetzt werden kann, um eine Reaktion auszulösen.
Zusammenfassend konnten mittels Oberflächenindentation mechanisch ausbalancierte, super-flüssigkeitsabweisende Oberflächen erhalten werden. Außerdem wurden der Leidenfrost-Effekt und flüssige Murmeln genutzt, um gezielt die Bewegung von Tropfen zu manipulieren.