Surface reduction and formation of wrinkles and tubules in liquid crystal membranes
Experimental Condensed Matter Physics
Final Report Abstract
In dem geförderten Projekt wurde die Ursache der Wrinklebildung identifiziert: sie wird durch die Oszillation der der Filme verursacht, die sich in den Katenoidenhaltern befinden. Diese stauchen entweder die Blase, oder ziehen sie in die Länge. In jedem Fall ändert sich die effektive Oberfläche der Blase. Warum zwei unterschiedliche Szenarien auftreten ist der Filmdicke geschuldet. Die doppelte Einstülpung tritt bei dünneren Blasen (bis zu 40 nm) auf, da hier das untere Ende der Blase schneller nach oben beschleunigt wird als bei dickeren Blasen. Daher entsteht dort eine Einstülpung und bei dicken Blasen ein konisches Ende. Bei der Kompression durch die schwingenden Filme ändert die Blase schneller ihre Länge als durch den Aufbau neuer Flüssigkristallschichten möglich wäre. Im Falle der doppelten Einstülpung ist wird die Blase von den schwingenden Filmen eher auseinandergezogen, wodurch sich oberhalb der Einstülpung der Querschnitt der Blase ändert. Die Bewegungen in der Filmebene konnten mit Hilfe der Methode des optischen Flusses sichtbar gemacht werden. Die Wellenlänge der Wrinkles ist abhängig von der lateralen Kraft, die auf die Blase einwirkt. Treffen zwei Blasen aufeinander, so entsteht zunächst eine Einstülpung in beiden Filmen (ein sogenannter Dimple). In Interferrometrieexperimenten kann man mit Hilfe der Interfrenzringe die Höhe der eingeschlossenen Luftschicht bestimmen. Diese liegt zwischen 0.4 und 1 µm. Der Durchmesser des Dimples sowie auch dessen Höhe ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich beide Blasen annähern. Während der Seifenblasenkoaleszenz, bei der zwei Blasen mit einem gemeinsamen Film verbleiben konnte eine Rayleigh-Taylor Instabilität beobachtet werden, deren Auftreten mit Hilfe numerischer Simulationen verifiziert werden konnte. Sie entsteht durch eine Beschleunigung (in der Größenordnung von 10^7 m/s²) der Flüssigkeit gegen die Luft. Die Instabilität führt zu einer Einstülpung des Randes, an dem beide Blasen verschmelzen. Je nach Menge des Tensids sind diese Einstülpungen mehr oder weniger ausgeprägt. Unterhalb der kritischen Mizellenkonzentration sind nur schwache Einstülpungen erkennbar, oberhalb sind sie stark ausgeprägt, sodass sich winzige Seifenblasen von diesem Rand lösen und auf dem Film verbleiben. In diesem Fall sind genügend Tensidmoleküle vorhanden um neue Oberflächen zu bilden und zu stabilisieren. Die Ausbreitung von Blasen aus Tensid-Glycerin-Gemischen wurde für verschiedene Oberflächen untersucht. Die unterschiedlichen Kontaktwinkel mit den Oberflächen hatten keinen Einfluss auf die Ausbreitung, nur die unterschiedliche Viskosität der Lösungen: mit zunehmender Viskosität erfolgt die Ausbreitung langsamer, aber ihr qualitativer Verlauf bleibt gleich. Nach einer initialen Phase, bei der die Ausbreitung linear ist folgt das Anwachsen des Randes der Blase mit der Zeit einem wohlbekannten Potenzgesetz, 𝑟~𝑡1/2, bis die Blase ihrem Gleichgewichtszustand entgegen läuft und als Hemisphäre auf der Oberfläche zurückbleibt. Ist eine hydrophile Oberfläche bereits benetzt, so ändert sich der Exponent und läuft für hohe Viskositäten gegen 1. Interessanter ist jedoch, dass auch hier eine Instabilität auftritt, erzeugt durch einen Marangoni-Fluss aufgrund unterschiedlicher Oberflächenspannungen. Diese führt zu einer radial auswärts zeigenden Dickenmodulation des Seifenfilms auf der Glasoberfläche in der Größenordnung von einigen Mikrometern, die dafür sorgt, dass der Rand der sich ausbreitenden Blase kleine Einstülpungen hat. Des Weiteren konnte dieser Rand in der Seitenansicht beobachtet werden, sodass beobachtet werden konnte, dass der Rand ein Flüssigkeitstal und davor einen Hügel vor sich herschiebt.
Publications
- Surface wrinkling of freely-floating smectic bubbles (2019)
Pfeiffer, P.
(See online at https://doi.org/10.48550/arXiv.1911.06067) - Merging of Soap Bubbles and Why Surfactant Matters, Appl. Phys. Lett. (2020)
Pfeiffer, P., Zeng, Q., Tan, B. H., Ohl, C.-D.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5135764)
