Drainage of thin aqueous films between solid surfaces measured with the colloidal probe technique

Abstract

Understanding liquid flow at the vicinity of solid surfaces is crucial to the developmentrnof technologies to reduce drag. One possibility to infer flow properties at the liquid-solid interface is to compare the experimental results to solutions of the Navier-Stokes equations assuming the no-slip boundary condition (BC) or the slip BC. There is no consensus in the literature about which BC should be used to model the flow of aqueous solutions over hydrophilic surfaces. Here, the colloidal probe technique is used to systematically address this issue, measuring forces acting during drainage of water over a surface. Results show that experimental variables, especially the cantilever spring constant, lead to the discrepancy observed in the literature. Two different parameters, calculated from experimental variables, could be used to separate the data obtained in this work and those reported in the literature in two groups: one explained with the no-slip BC, and another with the slip BC. The observed residual slippage is a function of instrumental variables, showing a trend incompatible with the available physical justifications. As a result, the no-slip is the more appropriate BC. The parameters can be used to avoid situations where the no-slip BC is not satisfied.

Das Verständnis des Flüssigkeitsstroms an der Oberflächen eines Festkörper ist entscheidend für die Entwicklung von Technologien zur Verringerung des Strömungswiderstandes. Eine Möglichkeit, um die Strömungseigenschaften an der Flüssig-Fest-Schnittstelle zu untersuchen, ist der Vergleich experimenteller Ergebnisse mit den Lösungen der Navier-Stokes Gleichungen unter der Annahme von "slip" oder "no-slip" Randbedingungen. Es gibt keinen Konsens in der Literatur darüber, welche Randbedingung benutzt werden sollte, um die Strömung von wässrigen Lösungen über hydrophile Oberflächen zu beschreiben. Diese Arbeit verwendet die Kolloidprobentechnik des AFMs, um systematisch die wirkenden Kräfte beim Abfließen von Wasser über eine Grenzfläche zu messen. Die Ergebnisse zeigen, dass experimenteller Variablen, insbesondere der Cantilever Federkonstante, zu den unterschiedlichen Interpretationen in der Literatur führt. Zwei verschiedene Parameter können aus den experimentellen Variablen berechnet werden, um die Daten dieser Arbeit und in der Literatur in zwei Gruppen zu trennen: Systeme, die sich mit „slip“ erklären lassen, und Systeme, die sich mit „no-slip“ erklären lassen. Die beobachteten remanenten Gleiteigenschaften zeigen einen Trend in der Abhängigkeit von instrumentellen Variablen, die unvereinbar mit den verfügbaren physischen Begründungen ist. Prinzipiell ergibt sich, dass die „no-slip“ Randbedingung am geeignetsten ist. Die eingeführten Parameter können verwendet werden, um Fälle zu vermeiden, in denen die „no-slip“ Randbedingung nicht erfüllt ist.