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Projekt
Mikroskopische Mechanismen und Oberflächenadaptionseffekte des Slide-Electrification-Effekts
Antragsteller
Dr. Denis Andrienko; Professor Dr. Stefan Weber
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505838636
Der Begriff „slide-electrification“ beschreibt eine spontane Ladungstrennung zwischen einem bewegten Flüssigkeitstropfen und einer hydrophoben Oberfläche. Je nach Oberfläche und Flüssigkeit sammelt der Tropfen entweder positive oder negative Ladung, wobei sich das Substrat entgegengesetzt auflädt. Dabei kann die Tropfenladung durch die Kontaktzeit zwischen Oberfläche und Wasser und die Zeit zwischen aufeinander folgenden Tropfen beeinflusst werden. Modelle für die die Ladungserzeugung enthalten daher einen Adaptions-Term, ähnlich der Adaption bei Benetzung. Der mikroskopische Ursprung der slide-electrification und der Adaptionseffekte ist noch unklar. Der Mechanismus wurde phänomenologisch unter Annahme eines Ladungspinnings an der hinteren Kontaktlinie beschrieben. Hier könnten Elektronentransfer, Adsorption/Desorption von Ionen oder eine unvollständige Reorganisation der elektrischen Doppelschicht zu den beobachteten Effekten führen. Das erste Ziel unseres Projekts ist daher ein molekulares Verständnis der slide-electrification. Wir werden Experimente mit Computersimulationen kombinieren und die Fest-Flüssig-Grenzfläche systematisch verändern, indem wir die drei beteiligten Komponenten variieren: 1) das Substrat, 2) die hydrophobe Schicht 3) und die Flüssigkeit (Art der Flüssigkeit, Salzkonzentration, pH-Wert). Für das Substrat sind die Dielektrizitätskonstante und die Oberflächenchemie die wichtigsten Faktoren. Um den Beitrag des ionischen und elektronischen Ladungstransfers zur Tröpfchenladung zu untersuchen, werden wir auch Modelloberflächen auf Kohlenstoffbasis mit definierter elektronischer Leitfähigkeit betrachten. Um Moleküldichte und Ladungsdiffusion an der Oberfläche zu kontrollieren, werden wir das Molekulargewicht der hydrophoben Schicht und die Oberflächenrauheit verändern. Darüber hinaus werden wir die Oberflächenchemie variieren, z. B. mit Hydroxid- und Amin-funktionalisierten Oberflächen. Um das Zusammenspiel zwischen Benetzungsadaption und Ladungsadaption zu untersuchen, werden wir mit anderen Gruppen innerhalb dieses SPP adaptive Polymer- und Polyelektrolytoberflächen untersuchen. So wollen wir die Mechanismen aufklären, die hinter der Tröpfchenaufladung und der Oberflächenadaption stehen. Die Anwendung der slide-electrification ist die Stromerzeugung, eine potenzielle erneuerbare Energiequelle. Derzeit ist der Wirkungsgrad der Energieumwandlung von kinetischer Tröpfchenenergie in elektrische Energie sehr gering: weit unter 0,1 %. Daher besteht das zweite Ziel des Projekts darin, die grundlegenden Grenzen der Effizienz der slide-electrification zu verstehen. Wir wollen Kombinationen aus Substrat, Oberflächenschicht und Flüssigkeit ermitteln, die einen besseren Wirkungsgrad ermöglichen. Dies soll durch eine computergestützte Vorauswahl von Oberflächenkombinationen erreicht werden, die die Oberflächenspannung und die Tropfenladung maximieren. Die leistungsstärksten Kombinationen werden dann experimentell charakterisiert.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
