Morphologie, Verdampfung und Kondensation von Flüssigkeiten auf benetzungsstrukturierten Oberflächen
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Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Benetzungsverhalten von Flüssigkeiten auf Oberflächen, die durch Mikrokontakt-Stempeln chemisch strukturiert sind. Dabei werden Experimente zur Morphologie und zur Kondensation und Verdampfung von Flüssigkeiten auf solchen Oberflächen vorgestellt. Im Gegensatz zu homogenen Oberflächen, auf denen ein benetzender Film oder ein kugelkappenförmiger Tropfen die einzigen mechanisch stabilen Zustände einer adsorbierten Flüssigkeit sind, hängt ihre Gestalt auf strukturierten Oberflächen neben den Grenzflächenenergien auch vom adsorbierten Volumen ab. Diese Form der Flüssigkeitsoberfläche wird bei unterschiedlichen zugrundeliegenden Geometrien untersucht: hydrophile Kreise in hydrophober Umgebung, dazu komplementär hydrophobe Kreise in hydrophiler Umgebung, sowie hydrophile Ringe. Dabei treten neuartige morphologische Phasen auf. Bei der Verdampfung von Tropfen von einer Oberfläche wird festgestellt, daß diese Reifungsprozessen unterliegen. Kleine Tropfen verdampfen in der Umgebung von großen Tropfen schneller als in der Nachbarschaft kleiner. Bei geeigneter Wahl der Geometrie des Tropfenmusters können sich Überstrukturen ausbilden bei denen jeder zweite Tropfen schneller verdampft. Es wird außerdem gezeigt, daß Tropfen mit gepinnter Kontaktlinie ein anderes Phasenverhalten haben als Tropfen mit frei beweglicher Kontaktlinie. Freie Tropfen sind thermodynamisch instabil. Sie wachsen oder schrumpfen in Abhängigkeit des lokalen Übersättigungsgrads. Dagegen gibt es für gepinnte Tropfen ein Regime, in dem sie stabil sind. Kondensieren Tropfen auf einer benetzungsstrukturierten Oberfläche, dann adsorbiert die Flüssigkeit bevorzugt an den periodisch angeordneten hydrophilen Stellen. Zusätzlich entstehen Tropfen an wohldefinierten Zwischengitterplätzen der hydrophoben Umgebung, d.h. im unstrukturierten Bereich. Die sich bildende Substruktur wird durch Verarmungszonen erklärt, die um die Tropfen herum entstehen.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
In this thesis the wetting behavior of liquids on surfaces, which are chemically structured by microcontact printing is investigated. Experiments regarding the morphology, evaporation and condensation on these surfaces are presented. In contrast to homogeneous surfaces, on which wetting films or spherical cap shaped droplets are the only mechanically stable morphologies of an adsorbed liquid, on structured substrates its shape depends on interfacial energies and the adsorbed volume. These shapes are investigated on substrates with different underlying geometries leading to novel morphological phases: hydrophilic circles in a hydrophobic matrix, complementary to this hydrophobic circles in a hydrophilic matrix, as well as hydrophilic rings. Additionally it is observed that ripening processes occur during evaporation of droplets from a surface. Small droplets evaporate faster close to a large droplet than in the neighborhood of small droplets. On regularly ordered droplet patterns these ripening processes can result in the formation of a superstructure with every second droplet evaporating faster than its neighboring ones. Beside it is shown that droplets with a pinned contact line have a different phase behavior than droplets with a freely moving contact line. Free droplets are thermodynamically unstable; they either grow or shrink depending on the local degree of supersaturation. On the contrary to this a stable regime exists for pinned droplets. When the substrate is exposed to supersatured vapor (breath figure regime), the liquid preferentially adsorbs on the periodically arranged hydrophilic patches. In addition, we find well-defined droplets on the interstitial sites of the hydrophilic lattice, i.e. on the non-structured area. The situation can be explained by the development of depletion zones around the droplets.
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ISO 690
SCHÄFLE, Claudia, 2002. Morphologie, Verdampfung und Kondensation von Flüssigkeiten auf benetzungsstrukturierten Oberflächen [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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