SPP 2171 - Teilprojekt: Ensembles sitzender und rutschender Tropfen auf elastischen Medien - Experiment, Simulation und Theorie

Grunddaten zu diesem Projekt

Beschreibung

Tröpfchen auf weichen elastischen Substraten sind ein paradigmatisches Beispiel für adaptive Benetzung, bei der Kapillaritäts-induzierte elastische Verformungen die Benetzungseigenschaften erheblich beeinflussen. Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass Substrate aus vernetzten Polymeren vielseitige Möglichkeiten bieten, Kontaktwinkel von Tröpfchen sowie deren Verteilung, gerichtete Bewegung, Kondensation und Aufprall zu manipulieren. Man hat lediglich begonnen, die volle Vielfalt dieser Phänomene zu erforschen, und derzeit gibt es noch nicht einmal ein vollständig quantitatives Verständnis des Verhaltens einzelner Tropfen - geschweige denn von Ensembles von Tropfen. Die größten Herausforderungen liegen dabei einereits in den komplizierten Effekten der Oberflächenspannung elastischer Festkörper und wie sich diese auf das Kräftegleichgewicht in der Nähe der Kontaktlinie auswirken. Andererseits wird die Dynamik von der Viskoelastizität des Substrats und den elastokapillaren Wechselwirkungen zwischen den Tröpfchen bestimmt.Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und Nutzung von Versuchsaufbauten, detaillierten direkten numerischen Simulationen, effektiven Langwellenmodellen und einer statistischen Beschreibung vom Smoluchowski-typ zur Untersuchung des Verhaltens von Tropfen einfacher nichtflüchtiger und flüchtiger Flüssigkeiten auf flexiblen Substraten. Der erste Teil des Projekts konzentriert sich auf einzelne Tropfen. Wir wollen über die bisherigen Ansätze hinausgehen, die fast ausschließlich auf linearer Elastizität basieren, und detaillierte Simulationen entwickeln, die die Mechanik großer Verformungen in der Nähe der Kontaktlinie zugänglich machen. Ziel ist eine vollständige quantitative first-principle Beschreibung des Benetzungsverhaltens einzelner Tropfen. Dies wird die Grundlage für den zweiten Teil des Projekts bilden, in dem wir das kollektive Verhalten von Tropfenensembles auf weichen Substraten untersuchen. Experimente an Ensembles, die durch eine externe Triebkraft oder Verdunstungs/Kondensation angetrieben werden, werden durch einen multiskaligen Modellierungsansatz ergänzt, bei dem wir die Dynamik mit verschiedenen Graden an Detail auflösen. Wir entwickeln effektive Langwellenmodelle, die aus den experimentellen und vollständigen Simulationsergebnissen für einzelne Tropfen kalibriert werden, was den Weg für die Simulation einer großen Anzahl von Tropfen und schließlich für die statistische Modellierung von Tropfenensembles öffnet.Die konsequente Kombination von Experiment, Simulation und Theorie bietet einen multiskaligen Rahmen, der qualitative und quantitative Erkenntnisse zur Benetzung flexibler Substrate liefert. Dies wird das Zusammenspiel von Tropfen- und Substratdynamik sowie die resultierenden Gesetze des Rutschens, der Haft-Rutsch-Bewegung (stick-slip) und der Koaleszenz einzelner Tropfen und ihres kollektiven Ensembleverhaltens zugänglich machen.