Benetzungs- und Transportverhalten von substratlosen ebenen und gekrümmten hierarchischen Streifenstrukturen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr. Johannes L´huillier; Professor Dr. Egbert Oesterschulze; Professorin Dr.-Ing. Clarissa Schönecker
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467661067

In diesem Projekt sollen modifizierte Cassie-Baxter (CB) Benetzungssysteme untersucht werden, die auf ein Substrat unterhalb des benetzten Bereichs vollständig verzichten. Dadurch werden einerseits die bekannten Probleme substratbehafteter Systeme, das Sagging und die Kondensation in ganz oder teilweise abgeschlossenen Oberflächenstrukturen, vermieden. Andererseits ergibt sich in dieser Anordnung eine zweite zugängliche Grenzfläche und somit ein neuer Freiheitsgrad, über die der Benetzungszustand der anderen Grenzfläche gesteuert werden soll. Dazu wird das Volumen oberhalb der zweiten Grenzfläche abgeschlossen und der Druck und das Medium (Luft, Infusion mit Öl) darin kontrolliert. Als Strukturen werden streifenartige Systeme in ebener wie auch zylindrischer, d.h. rohrartiger, Geometrie untersucht, da diese bekannter Weise ein sehr gutes Gleitverhalten zeigen. Wir wollen diese Streifenstrukturen mit einer hierachischen Oberflächenstruktur bestehend aus Überhangstrukturen zur Erhöhung der Meniskenstabilität und Nanostrukturen auf der Oberfläche (und sofern nötig, kombiniert mit einer hydrophoben CF-haltigen Beschichtung) zur Erhöhung des Benetzungswinkels bis hin zum superhydrophoben Verhalten versehen. Die statische und dynamische Benetzung dieser Strukturen sollen experimentell wie auch theoretisch untersucht werden. Das Ziel ist die Kontrolle der Meniskustopologie durch den Druck eines Gases oder durch Infusion mit einem Öl geringer Oberflächenenergie. Obgleich wir bei den ebenen Strukturen für die maßgenaue mikrotechnische Herstellung Silizium nutzen, wollen wir mit Hilfe der Lasermikrobearbeitung auch metallische ebene wie rohrartige Systeme realisieren, um so auch technisch relevante Verfahren und Oberflächen zum Gegenstand der Untersuchungen zu machen. Aus unser Sicht ist dieser Aspekt in der Literatur bisher kaum gewürdigt worden. Wir werden die Ergebnisse bei ebenen Siliziumstrukturen und ihre theoretische Auswertung auf die metallischen Systeme übertragen. Im Bereich der Lasermikrobearbeitung an gekrümmten Oberflächen werden verschiedene Materialien in Folienform oder als 3D-gedruckte Edelstahlstruktur untersucht. Der gratfreie Abtrag des Materials bei der Streifenerzeugung, ihre Politur bzw. Nanostrukturierung muss materialabhängig studiert werden. Bei den statischen Benetzungsuntersuchungen sollen neben der Messung des Benetzungswinkels inkl. Winkelhysterese auch die Optical Coherence Tomography (OCT) benutzt werden. Die OCT erlaubt es, in der Tiefe des Tropfens die Meniskusform zwischen den Streifen zu bestimmen. Die Oberflächen werden in Kanälen und Rohren eingesetzt und die erzielte Widerstandsreduktion ermittelt. Die experimentellen Untersuchungen werden durch theoretische Berechnungen begleitet. Diese erstrecken sich von der analytischen Modellierung der Auswirkungen des fehlenden Substrats und der Benetzungszustände auf das Gleiten über numerische Finite-Elemente-Berechnungen bis zur Beurteilung der Widerstandsreduktion.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen