Manipulation of Wetting Morphologies in Topographically Structured Substrates

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden statische, Morphologien einer benetzenden Flüssigkeit in linearen Gräben, deren Breite im Bereich von einigen Mikrometern liegt, experimentell mittels Kraftmikroskopie untersucht und mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Es wurden Grabengeometrien mit zunehmender Komplexität, von Keilen bis hin zu trapezförmigen Querschnitten, betrachtet, wobei der Schwerpunkt auf den dreieckigen Gräben lag. Im Gegensatz zu chemisch strukturierten, ebenen Substraten, auf denen im mechanischen Gleichgewicht ausschließlich Flüssigkeitsmorphologien mit positivem Laplacedruck gefunden werden, können auf topographisch strukturierten Substraten sowohl Morphologien mit positivem als auch mit negativem Laplacedruck auftreten. Abhängig von der Benetzbarkeit und der genauen Geometrie des Substrates stellen entweder tropfenförmige Morphologien oder gestreckte Filamente homogenen Querschnitts und mit positivem oder negativem Laplacedruck die generische Gleichgewichtsstruktur auf dem Substrat dar. Für sehr große Kontaktwinkel dominieren tropfenartige Morphologien, unabhängig von der zugrundeliegenden Substratgeometrie.Durch Variation der Benetzbarkeit oder der Geometrie des Substrates kann zwischen diesen beiden Flüssigkeitsmorphologien geschaltet werden. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Grabenquerschnitte untersucht wobei die Benetzbarkeit durch Aufbringen von verschiedenen Monoschichten selbstanordnender Moleküle oder mit Hilfe des Elektrobenetzungseffektes eingestellt wurde. Durch Variation des scheinbaren Kontaktwinkels einer wässrigen Lösung mittels der Methode der Elektrobenetzung kann der Übergang zwischen einer tropfenartigen und einer gestreckten Filamentmorphologie induziert werden und so, nach Bedarf, Flüssigkeit entlang eines vorgefertigten Grabens transportiert werden. Es wurde ein klares Schwellwertverhalten gefunden, das mit den Stabilitötsgrenzen der statischen Benetzungsmorphologien für die jeweiligen Grabengeometrien übereinstimmt. Die Länge eines in einen Graben eindringenden Flüssigkeitsfilaments hängt von dem Querschnitt des Grabens und den elektrischen Eigenschaften des Systems ab. Hier wird ein elektrisches Modell vorgestellt um dieses Verhalten zu erklären. Im Gegensatz zu Flüssigkeitsfilamenten in rechteckigen Gräben, die sich zu ihrem Ursprungstropfen zurückziehen, werden Filamente in dreieckigen Gräben instabil, sobald der Kontaktwinkel wieder über den Schwellwert steigt.Diese Instabilität in dreieckigen Gräben wurde anhand von homogenen, glasartigem Polymer-filamenten (Polystyrol) genau untersucht, die in einem Nichtgleichgewichtszustand präpariert wurden. Bei erhöhter Temperatur stellt das geschmolzene Polystyrol den materialspezifischen Kontaktwinkel mit dem Substrat wieder her und bildet dabei homogene Filamente mit positivem Laplacedruck. Diese Filamente sind instabil und zerfallen in einem Entnetzungsprozess in einzelne Tropfen mit einem charakteristischen Abstand, der von der Keilgeometrie, der Benetzbarkeit und der ursprünglichen Breite des Filaments abhängt. Diese Instabilität wird durch das Wechselspiel der lokalen Breite des Filaments und des Laplacedruckes getrieben. Sie ist damit Teil einer großen Klasse von eindimensionalen Instabilitäten zu der auch die Rayleigh-Plateau Instabilität gehört. Die Dynamik dieser Instabilität wurde mittels in situ gewonnener kraftmikroskopischer Aufnahmen untersucht, was eine Bestimmung der Zeitkonstanten der Instabilität ermöglicht. Eine sorgf¨altige Analyse der Zeitkonstanten erlaubt wiederum eine quantitative Bestimmung der Schlupflänge des Systems.