Dynamische Fortschreit- und Rückzugskontaktwinkel auf adaptiven Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Jürgen Butt
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422795072

Eine der großen Herausforderungen in der Grenzflächenforschung ist ein quantitatives Verständnis adaptiver Oberflächen. Unter „adaptiven“ Oberflächen verstehen wir Oberflächen, deren Struktur sich in Gegenwart der Flüssigkeit oder des Dampfes ändert. Adaptionsprozesse laufen mit einer spezifischen Kinetik ab. Kürzlich haben wir eine Theorie entwickelt,die die Adaptionskinetik mit dynamischen Kontaktwinkeln verbindet. Zwei Ergebnisse der Theorie sind: Erstens, die Adaption der Oberfläche führt zur Kontaktwinkelhysterese. Daher sind Adaptionsprozesse, neben Rauigkeit und Heterogenität der Oberflache, mit verantwortlich für Kontaktwinkelhysterese. Zweitens, Fortschreit- und Rückzugskontaktwinkel ändern sich in klar definierter Weise mit der Geschwindigkeit der Kontaktlinie. Zusätzlich zu hydrodynamischen Effekten sind daher auch Adaptionsprozesse verantwortlich für geschwindigkeitsabhängige Kontaktwinkel. Ziel unseres Projektes ist es unsere Theorie experimentell zu überprüfen. Dazu ist geplant die dynamischen Kontaktwinkel von sitzenden Tropfen auf Polymeroberflächen zu messen. Dies soll mit Hilfe eines selbst-gebauten Drop Adhesion Force Instrument (DAFI) geschehen. Dabei wird ein Tropfen mit einer Mikropipette über eine Oberfläche bewegt. Die dazu nötige Kraft wird gemessen, gleichzeitig mit den beiden Kontaktwinkeln. Bei dieser Methode ist der Geschwindigkeit auf maximal 5 cm/s beschränkt. Daher möchten wir die DAFI-Methode mit einem weiteren Aufbau ergänzen, der es erlaubt, rollende Tropfen auf einer schiefen Ebene zu untersuchen. Dieser Versuchsaufbau soll mit Hochgeschwindigkeitskameras ausgestattet werden. Damit ließen sich dynamische Kontaktwinkel bis zu einer Tropfengeschwindigkeit von 1 m/s messen. Als Modelloberflächen verwenden wir Siliziumoxid-Oberflächen, auf die Polymere gepfropft sind. Zur Herstellung von Polymerbürsten unterschiedlicher Dicke verwenden wir Atom-Transfer-Radikal-Polymerisation (ATRP). Zur Untersuchung der Adaptionsprozesse, die von polaren Flüssigkeiten hervorgerufen werden, werden wir Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAM) und Poly(2-Hydroxyethymethacrylate) (PHEMA) verwenden. Polymethyl-meth¬acrylat (PMMA) und Polystyrol (PS) Filme planen wir in Kombination mit unpolaren Flüssigkeiten zu verwenden. Als Oberflächen die nicht nur quellen, sondern sich umorganisieren ist beabsichtigt, gemischten Polymerbürsten, bestehend aus PS und Poly(2-Vinylpyridine), zu untersuchen. Die jeweilige Quell- und Umorganisationskinetik bei Kontakt mit Flüssigkeiten, soll mittels Röntgenreflektometrie, Oberflächenplasmon-Spektroskopie und konfokaler Mikroskopie bestimmen. Bei Erfolg stünde ein relativ universelles Modell zur Verfügung, Adaptions-verursachte dynamische Kontaktwinkel und Kontaktwinkelhysterese zu beschreiben. Adaption von Oberfläche wäre damit als ein weiterer Grund für Kontaktwinkelhysterese etabliert, neben z.B. Oberflächenrauigkeit oder –heterogenität.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2171: Dynamische Benetzung flexibler, adaptiver und schaltbarer Oberflächen
• Mitverantwortlich: Dr. Rüdiger Berger