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Authors: Paven, Maxime
Title: Fabrication and manipulation of non-wetting surfaces and drops : from super liquid-repellency and the Leidenfrost effect to liquid marbles
Online publication date: 20-Jan-2017
Language: english
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.
Controlling wetting, i.e. how drops interact and spread on surfaces, is of interest from a fundamental, physicochemical point of view and has relevance in many industrial processes like printing and spray coating. A great deal of attention is dedicated to the situation where drops ball up on a surface to minimize any contact between both. The reduced contact area results in a comparatively low adhesion force between the surface and the drop. Under certain conditions the lateral adhesion forces become so small, that drops easily move over the surface. A high drop mobility on a given surface is appealing for numerous applications, e.g. self-cleaning surfaces or the use of drops as microreactors. The non-wetting behavior results from entrapment of air pockets between drops and the surface. The entrapment of air pockets between both is either due to surface properties of the substrate, like in the case of super liquid-repellent surfaces and the Leidenfrost effect, or due to surface properties of the drop, like in the case of liquid marbles. In the presented thesis, I introduce the fundamentals, discuss state of the art research and challenges, and finally present contributions in all three fields. Super liquid-repellent surfaces rely on surface chemistry and, most importantly, on a nano- to micrometer-sized surface texture which stabilizes the air pockets between drop and substrate. However, surface textures on this size scale have low wear resistance what hampers the practical breakthrough of super liquid-repellent surfaces so far. Much attention is thus dedicated improving the mechanical strength of super liquid-repellent surfaces, but consistent approaches to quantify the mechanical durability of such surfaces are missing. Ultimately, a consistent test protocol requires force-sensitive indentation measurements to obtain quantitative results. Here, I investigate the mechanical properties of candle soot-templated super liquid-repellent surfaces. First off, the influence of the soot collection height on the wetting properties of the surface is explored. Then, I investigate the role of the reaction parameters on the mechanical properties of the candle soot-based test system. Therefore, force-sensitive measurements using colloidal indenters mounted to a scanning probe microscope are conducted. Comparison of these results to wetting experiments allows the careful balance of mechanical strength against repellency. In the Leidenfrost state, a drop hovers on a hot plate due to steady evaporation of the liquid. This creates an air cushion between both, drop and surface, and prevents any contact between them. The Leidenfrost effect is only observed if the surface temperature of the substrate exceeds the boiling point of the liquid by a lower, critical value before the drop comes close to it. Otherwise, surface and drop contact and the drop quickly evaporates. Whereas this is known, it was shown recently that drops on a superhydrophobic surface can enter a Leidenfrost-like state, starting from ambient conditions by a continuous decrease of the surrounding pressure. The surface texture restricts the vapor flow of the evaporating water drop which leads to an upward force. This results in the drop to jump from the substrate and continuously bounce at increasingly higher heights. In my thesis, I show that not only a pressure-time gradient but also a temperature-time gradient can lead to a similar effect. In particular, jumping and bouncing is observed even on smooth hot substrates for elastic hydrogel balls containing more than 90 wt% water. This study connects controlled heat transfer to drop bouncing depending on the drop elasticity. Liquid marbles are powder encapsulated drops. In contrast to the two aforementioned approaches, the non-wettability of liquid marbles is a drop, not a substrate property. The particle powder shell of liquid marbles is porous and entraps air pockets. The shell prevents the inner liquid from wetting the substrate and affords high mobility both, on solid and liquid substrates. In terms of applications, they serve as flexible, microliter sized reservoirs to carry analytes and reactants. The movement of these reservoirs is under investigation to prepare drop delivery systems which are controllable in space and time. If necessary, the inner liquid can be released to initiate a reaction or analysis. In this thesis, I introduce photo-thermally responsive liquid marbles. Such liquid marbles can be propelled over the air-water interface to a desired place at a given timing. Propulsion of the liquid marble is generated by shining light on the shell material. The light is converted into heat and the heat dissipates into the water leading to a heat gradient on the water surface close to the liquid marble. This in turn causes a Marangoni flow on the water surface, pushing the liquid marble forward. The inner liquid can be on-demand released by an external stimulus. In conclusion, contributions in all three fields are presented leading to mechanically optimized super liquid-repellent surfaces and two strategies were exploited to move and manipulate drops using the Leidenfrost effect and liquid marbles.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use:
Extent: 175 Seiten
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