Exploration der lichtindizierten Strömungsmuster auf Flüssigkeitsoberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Steffen Hardt
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525057618

Die Dekoration einer Flüssigkeitsoberfläche mit photoschaltbaren Tensiden ermöglicht die Erzeugung eines Strömungsfeldes, wenn die Oberfläche mit Licht einer geeigneten Wellenlänge bestrahlt wird. Die Bestrahlung induziert eine Photoisomerisierung, d. h. einen Übergang zwischen zwei isomeren Zuständen der Tenside. Die beiden unterschiedlichen Zustände führen zu unterschiedlichen Oberflächenspannungen, weshalb sich mit Hilfe von Mustern der Lichtintensität Marangoni-Strömungen erzeugen lassen. In der Vergangenheit haben wir gezeigt, dass auf dieser Grundlage kleine Partikel unter Ausnutzung der hydrodynamischen Kräfte aufgrund der Marangoni-Strömung entlang einer Flüssigkeitsoberfläche bewegt werden können. Die meisten dieser Vorarbeiten basierten auf einem einzelnen, auf eine Flüssigkeitsoberfläche fokussierten Laserspot. Nun möchten wir die photoinduzierten Strömungsmuster in einem allgemeineren Kontext untersuchen. Unser Ziel ist es, die Beziehung zwischen der räumlichen Verteilung der Lichtintensität und den resultierenden Strömungsmustern aufzudecken. Zu diesem Zweck verwenden wir einen räumlichen Lichtmodulator, um nahezu beliebige Bestrahlungsmuster zu erzeugen und das daraus resultierende Strömungsfeld zu charakterisieren, indem wir Partikel verfolgen, die an der Flüssigkeitsoberfläche haften. Der experimentelle Ansatz beruht auf der schrittweisen Erhöhung der Komplexität der Bestrahlungsmuster. Die Experimente werden von Modellierungs-/Simulationsaktivitäten begleitet, die darauf abzielen, die der Erzeugung von Strömungsfeldern zugrundeliegenden Prinzipien, wie z. B. das Superpositionsprinzip, aufzudecken. In einem breiteren Kontext besteht das Ziel darin, signifikante Fortschritte bei der Lösung eines inversen Problems zu erzielen, d. h. das Bestrahlungsmuster zu bestimmen, das zur Erzeugung eines vorgegebenen Strömungsfeldes erforderlich ist. In einem Szenario mit einer Vielzahl von Mikro- oder Nanopartikeln an einer Flüssigkeitsoberfläche könnte die lichtinduzierte Manipulation und Umordnung dieser mikro- oder nanoskaligen Objekte neue Perspektiven auf dem sich rasch entwickelnden Gebiet der optischen Metaoberflächen eröffnen. Eine mögliche künftige Anwendung könnte insbesondere im Bereich der rekonfigurierbaren optischen Metaoberflächen liegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen