Projects

  • Efficient simulations of dynamic wetting of flexible substrates - S. Aland

    Efficient simulations of dynamic wetting of flexible substrates
    Effiziente Simulationen der Benetzungsdynamik flexibler Substrate

    PI: Prof. Dr. Sebastian Aland, Fakultät Mathematik und Informatik, TU Freiberg, 09599 Freiberg
    PhD Student: Dominic Mokbel

    Contact:
    Mail: sebastian.aland@math.tu-freiberg.de
    Tel.: +49 373139 2322

    Die Benetzung elastischer Materialien (Soft Wetting) spielt eine bedeutende Rolle in der Natur und in technologischen Anwendungen. Um solche Prozesse zu simulieren, kombinieren wir den ALE Ansatz für Fluid-Struktur-Interaktion mit dem Phasenfeldansatz für Zweiphasen-Strömungen [3]. Im Rahmen des SPP konnten wir damit die erste numerische Methode entwickeln, um die Benetzung von viskoelastischen Substraten zu simulieren [1]. Die Methode konnte das Surfen der Kontaktlinie auf der Wetting Ridge reproduzieren und schließlich eins der herausragenden Soft-Wetting Phänomene enträtseln: die Stick-Slip Instabilität. In enger Zusammenarbeit mit dem Projekt von Stefan Karpitschka konnten wir die Dynamik und den Lebenszyklus der Stick-Slip-Bewegung aufzeigen und den Einfluss aller relevanten Parameter charakterisieren [2].

    In der nächsten Förderperiode soll die Methodik in zwei Richtungen erweitert werden, die bisher numerisch völlig unzugänglich sind. Erstens werden wir eine numerische Methode entwickeln, die den Dissipationsmechanismus an der Kontaktlinie zutreffend beschreibt, indem sowohl Slip als auch dynamische Kontaktwinkel einbezogen werden. Zweitens werden wir die Methodik auf dünne elastische Strukturen erweitern, welche als niedriger-dimensionale Hyperflächen dargestellt werden, um die einhergehenden Auflösungsprobleme lösen. Das resultierende Mehrskalenmodell wird es zum ersten Mal erlauben die Benetzungsdynamik an Membranen, weichen mikrostrukturierten Oberflächen, Haaren, und anderen dünnen Objekten zu simulieren.

    Mit den entstandenen numerischen Methoden untersuchen wir spannende Phänomene, welche bisher nicht verstanden sind: (i) das Zusammenspiel von Benetzung und Formdynamik von Biomembranen, (ii) die komplexe Benetzungsdynamik auf strukturierten, elastischen Oberflächen und (iii) der Einfluss eines adaptiven Lubrikationstropfens auf die Kontaktlinienbewegung öl-haltiger Substrate. All diese Punkte werden in Kooperation mit experimentellen und theoretischen Projekten des SPP durchgeführt, um schließlich ein tieferes Verständnis für die grundlegende Physik hinter der Benetzungsdynamik auf elastischen Materialien zu schaffen.

     

    Wetting of elastic substrates (soft wetting) plays a major role in a broad variety of phenomena in nature and technology. To simulate such processes, we combine the ALE approach for fluid-structure interaction with the phase-field approach [3] for two-phase flow. Within this project we have developed the first numerical method for wetting on viscoelastic substrates [1]. The method enabled the first simulation of contact-line surfing and was then successfully applied to unravel one of the outstanding phenomena in soft wetting: the stick-slip instability. In a tight collaboration with the project of Stefan Karpitschka, we were able to reveal the onset dynamics and the life cycle of stick-slip motion and to characterize the influence of physical parameters [2].

    For the upcoming funding period we aim to extend the methodology in two directions, which have remained completely unexplored so far. Firstly, we will develop a numerical method to account for an accurate dissipation mechanism at the contact line by including slip and dynamic contact angles. Secondly, we will extend the methodology to thin elastic structures, which are involved in the majority of soft wetting phenomena. Representing thin structures by dimensionally reduced hypersurfaces will solve the associated resolution problems. The resulting multiscale model will permit for the first time to simulate soft wetting phenomena at membranes, thin sheets, microstructured surfaces, hair and other thin objects.

    The numerical models are applied to investigate three exciting phenomena that have been discovered in experiments: (i) the intense interplay of wetting and shape dynamics of biomembranes, (ii) the wetting dynamics at elastic structured surfaces, and (iii) the influence of an adaptive lubrication drop on the contact line motion on oil-absorbing substrates. All these points are addressed in collaboration with experimental and theoretical projects within the SPP to finally establish a deeper understanding of the fundamental physics behind the dynamic wetting of elastic materials.

    www.alandlab.de

    References:

    [1] S. Aland & D. Mokbel. (2021). A unified numerical model for wetting of soft substrates. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 122: 903-918. https://doi.org/10.1002/nme.6567 
    [2] D. Mokbel, S. Aland, and S. Karpitschka. “Stick-Slip Contact Line Motion on Kelvin-Voigt Model Substrates”. (submitted to EPL), preprint at: http://arxiv.org/abs/2201.04189 
    [3] Aland, S., & Chen, F. (2015). An Efficient and Energy Stable Scheme for a Phase-field Model for the Moving Contact Line Problem. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 81(11), 657–671. https://doi.org/10.1002/fld.4200

     

     

    Wetting ridge shapes at injection of a fluid into a cylinder of viscoelastic material shows perfect agreement between simulations (marker points) and theory (lines) for various injection velocities [2].
    © S. Aland
  • Impact of co-nonsolvency effects on dynamic wetting - G.K. Auernhammer, A. Fery, P. Uhlmann

  • The molecular scale of switchable wetting - E. Backus

    The molecular scale of switchable wetting
    Die molekulare Ebene schaltbarer Benetzung

    PI1: Ellen H.G. Backus, Max Planck Institute for Polymer Research, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Germany
    and Department of Physical Chemistry, University of Vienna, Waehringer Strasse 42, 1090 Vienna, Austria
    PI2: Mischa Bonn, Max Planck Institute for Polymer Research, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Germany
    PhD student: Mirela Encheva

    http://www.mpip-mainz.mpg.de/water_interfaces
    https://pchem.univie.ac.at/forschung-arbeitsgruppen/ultraschnelle-und-nichtlineare-spektroskopie/

    Intermolecular interfacial interactions co-determine macroscopic wetting properties, yet insights into wetting at the molecular level have been lacking. In this project we use photoswitchable surfaces based on spiropyran/merocyanine isomerization to instantaneously switch the surface’s wetting properties, and follow the molecular response of water in real-time. In the closed spiropyran form, the molecule is nonpolar, while it is zwitterionic in the open merocyanine form. Under UV light irradiation the merocyanine form is obtained; visible light switches the molecule back to the closed form. It is well-known that surfaces functionalized with the spiropyran/merocyanine pair behave hydrophobic for the spiropyran case, but hydrophilic for the merocyanine form. The ability to switch the hydrophobicity of these surfaces using ultrashort laser pulses – shorter than the timescales on which molecules reorient –provides a unique way to follow the response of water to a step change in the hydrophobic surface properties. In this manner, we aim to obtain molecular-level information about the (de)wetting dynamics at switchable substrates and to correlate molecular-level details on the water organization with macroscopic wetting properties. The structure of water and the organic coating at the interface will be investigated before, during, and after photoswitching using sum frequency generation (SFG) spectroscopy.

     

    Intermolekulare Oberflächenwechselwirkungen bestimmen maßgeblich die Benetzungseigenschaften. Allerdings mangelt es an Untersuchungen der Benetzung auf molekularer Ebene. Um derartige Einblicke zu erhalten, beabsichtigen wir photoschaltbarer Oberflächen zu verwenden, welche auf Spiropyran/Merocyanin-Isomerisation basieren und zur unmittelbaren Umschaltung der Benetzungseigenschaften einer Oberfläche und der Verfolgung der molekularen Reaktion in Echtzeit dienen. In der geschlossenen Spiropyranform ist das Molekül unpolar während die offene Merocyanin-Form zwitterionisch ist. Unter UV-Belichtung erhält man die Merocyanin-Form, unter sichtbarem Licht hingegen schaltet das Molekül in die geschlossene Form zurück. Es ist bekannt, dass diese funktionalisierten Oberflächen sich im Fall des Spiropyrans hydrophob und für im Fall der Merocyanin-Form dagegen hydrophil verhalten. Die Möglichkeit die Hydrophobizität dieser Oberflächen mittels ultrakurzer Laserpulse – kürzer als die Zeitskala innerhalb derer Moleküle sich reorientieren – zu schalten bietet uns die einzigartige Möglichkeit, der Reaktion des Wassers auf eine sprungartige Änderung der hydrophoben Oberflächeneigenschaften zu folgen. Unser Ziel ist es auf diese Weise Einblicke in die Dynamik der Be- und Entnetzung schaltbarer Substrate auf molekularer Ebene zu erhalten und mit makroskopischen Benetzungseigenschaften zu korrelieren.
    Die Struktur des Wassers und die der organischen Oberflächenbeschichtung werden vor, während und nach dem Photoschalten mittels Summenfrequenzspektroskopie (SFG) untersucht.

    The interest of the research group is on understanding structure and dynamics of a wide variety of interfaces ranging from biological model cell membrane systems, ice interfaces, water at mineral interfaces, to photocatalytic water dissociation at oxide interfaces. We use the surface specific vibrational spectroscopy sum frequency generation (SFG) method to obtain molecular level information of just the interfacial molecules. In SFG, an infrared laser pulse and a visible laser pulse are overlapped at the interface. If the infrared laser pulse is in resonance with a molecular vibration, the signal is strongly enhanced. Due to its selection rules, SFG probes specifically the interfacial layers and does not provide information on the bulk material. In the case of water, the vibrational frequency provides information about the strength of the hydrogen bond network, while the intensity of the signal is a measure for the amount of water alignment. Furthermore, we can obtain information about the ordering of the organic layers from CH vibrations. By combining the SFG probe method with an optical pulse, dynamical information on sub-picosecond timescales can be obtained.


    Das Interesse der Forschungsgruppe gilt dem Verständnis der Struktur und Dynamik einer Vielzahl von Grenzflächen, die von biologischen Modell-Zellmembransystemen, Eis-Grenzflächen, Wasser an Mineral-Grenzflächen bis hin zur photokatalytischen Wasserdissoziation an Oxid-Grenzflächen reichen. Um Informationen auf molekularer Ebene ausschließlich von Grenzflächenmolekülen zu erhalten, verwenden wir die Methode der oberflächenspezifischen Schwingungsspektroskopie-Summenfrequenzerzeugung (engl. Sum Frequency Generation - SFG). In SFG werden ein infraroter Laserpuls und ein sichtbarer Laserpuls an der Grenzfläche überlagert. Ist der Infrarot-Laserpuls in Resonanz mit einer Molekülschwingung, wird das Signal verstärkt. Aufgrund von Auswahlregeln enthält ein SFG Spektrum spezifisch Information über die Grenzflächenschichten nicht jedoch über das angrenzende Bulk-Material. Im Fall von Wasser gibt die Schwingungsfrequenz Auskunft über die Stärke des Wasserstoffbindungsnetzwerks, während die Intensität des Signals ein Maß für die Menge der ausgerichteten Wassermoleküle ist. Darüber hinaus können wir aus CH-Schwingungen Informationen über Ordnung in organischen Schichten gewinnen. Durch die Kombination der SFG-Methode mit einem optischen Puls können dynamische Informationen über Zeitskalen im Sub-Pikosekundenbereich gewonnen werden.


    J Cyran, MA Donovan, D Vollmer, FS Brigiano, S Pezzotti, DR Galimberti, M-P Gaigeot, M Bonn, and EHG Backus, Molecular hydrophobicity at a macroscopically hydrophilic surface, PNAS, 116, 1520 (2019)

     

     

  • Structure-Property Relations and Wetting Dynamics of Organic Thin Films with Photo-Switches - B. Braunschweig

    Structure-Property Relations and Wetting Dynamics of Organic Thin Films with Photo-Switches
    Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und dynamisches Benetzungsverhalten von photo-schaltbaren molekular dünnen organischen Filmen

    PI: Prof. Dr. Björn Braunschweig
    PhD student: Christian Honnigfort

    Institute of Physical Chemistry and Center for Soft Nanoscience
    Corrensstraße 28/30
    48149 Münster
    Germany

     

    Smart surfaces that can reversibly change their wetting properties are of great interest for applications such as self-cleaning surfaces, microfluidics or tunable lenses just to mention a few. However, even for passive surfaces that do not change their molecular properties when broad in contact with a liquid, a quantitative description the wetting dynamics is still a challenging issue. That is in particularly true when changes on the molecular scale due to adaptation of the substrate in different chemical environments or due to photo-switching of the substrate need to be taken into account as well. For that reason, we believe that an understanding of the wetting dynamics of photo-switchable substrates requires molecular level information on the substrate dynamics and structure changes under different light conditions as well as different chemical environments. In order to resolve the latter we propose to perform characterizations and analysis on different length scales, where both molecular structure changes as well as mesoscopic and macroscopic properties are addressed and correlated.

     

    Responsive Oberflächen, welche ihre Benetzungseigenschaften nach Bedarf wechseln können, sind von großen Interesse für selbstreinigende Oberflächen, Mikrofluidik uva. Ein Verständnis des dynamischen Benetzungsveraltens photo-schaltbarer sowie dünner organische Filme erfordert allerdings ein molekulares Verständnis der relevanten Oberflächen. Da sich die molekulare Struktur der Filme nicht nur durch cis/trans-Photoisomerisierung verändern lässt, sondern sich auch an veränderte chemischen Umgebungen (Flüssigkeit/Gas) adaptiert, müssen die Schichten und deren Dynamik auf verschiedenen Längenskalen charakterisiert werden. Ein Verständnis des dynamischen Benetzungsverhaltens soll in diesem Projekt durch Struktur-Eigenschaft-Beziehungen vom Molekül bis zum makroskopischen Verhalten von benetzenden Tropfen sowie Filmen erreicht werden. Dazu wird nichtlineare optische Spektroskopie eingesetzt, um die relevanten Grenzflächen in situ und zeitaufgelöst zu untersuchen.

     

     

    Schematic diagram of our hierarchical approach that uses structure-property relations from the molecular to the macroscopic. Prerequisite for this approach are characterization several length scales which can link dynamic changes of interfacial molecular structures to changes on larger length scales

     

    Octadecanethiol self-assembled monolayer(SAM) on an Au surface with a drop of aqueous solution that contained arylazopyrazole photoswitchable surfactants. Photographs of the drop shape and the results for the contact angle are shown as a function of time and light irradiation (UV vs green).

    The Braunschweig group uses the combined knowledge from experiments and analysis at all length scales of soft matter materials to control and improve materials properties in a targeted way. For that purpose, knowledge on molecular assemblies and their physical chemistry at interfaces is of great importance and can be used to tailor material properties from the nano to the macroscopic scale through structure property relations. Interface controlled materials and processes are present in various different applications where they dominate both microscopic and macroscopic properties and functions. For that reason, it is our goal to increase the level of understanding on the chemistry of soft matter interfaces that are of importance for molecular self-assembly, bio interfaces, colloid science, catalysis and in nanotechnology. Over the years, our group has developed a strong expertise in both, method development and application of nonlinear optical spectroscopy such as sum-frequency generation (SFG) and second-harmonic scattering (SHS) to interfaces. In a SFG experiment for surface vibrational spectroscopy a visible and a tunable infrared laser beam are combined at the interface and the intensity of the resulting sum frequency signal is measured which can be used to identify molecular fingerprints of surface adsorbed species, their orientation and molecular order.

    Die Forschungsschwerpunkte des Arbeitskreises Braunschweig befinden sich auf dem Gebiet der physikalischen Chemie von fluiden Grenzflächen und grenzflächenkontrollierten Materialien. Dabei verfolgen wir das Konzept, Materialeigenschaften und Prozesse durch die Steuerung von physikalischen und chemischen Eigenschaften einzelner molekularer Bausteine auf der Nanoskala bis zum makroskopisch sichtbaren Material entlang vieler Längenskalen zu kontrollieren und zu charakterisieren. Unsere Forschung stützt sich dabei auf die Anwendung moderner nichtlinearer optischer Laserspektroskopie mit ultrakurzen Laserpulsen. Insbesondere setzen wir die optische Frequenzverdopplung und die Summenfrequenz-Schwingungsspektroskopie (engl. Sum-Frequency Generation) ein. Die Spektroskopie wird in Kombination mit komplementären Methoden genutzt, um die molekulare Struktur und die physikochemischen Wechselwirkungen an Grenzflächen unter relevanten Bedingungen zu charakterisieren und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen abzuleiten.

     

     

    https://www.uni-muenster.de/Chemie.pc/forschung/braunschweig/

    Related Publications:

    • Gracía Rey N, Weißenborn E, Schulze-Zachau F, Gochev G, Braunschweig B Quantifying Double-Layer Potentials at Liquid-Gas Interfaces from Vibrational Sum-Frequency Generation. In: 'J. Phys. Chem. C 123 (2019), p. 1279-1286. doi: https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b10097
    • Meltzer C, Yu H, Peukert W, Braunschweig B Molecular structure of octadecylphosphonic acids during their self-assembly on alpha-Al2O3(0001). In: 'Phys. Chem. Chem. Phys. 20 (2018), p. 19382-19389. doi: https://dx.doi.org/10.1039/C8CP02391C
    • Paul J., Meltzer C., Braunschweig B., Peukert W. Lubrication of Individual Microcontacts by a Self-Assembled Alkyl Phosphonic Acid Monolayer on α-Al2O3(0001) . In: 'Langmuir 32 (2016), No. - 33, p. 8298-8306. doi: https://dx.doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b01933
    • Memory effects in polymer brushes showing co-nonsolvency effects
      Simon Schubotz, Christian Honnigfort, Saghar Nazari, Andreas Fery, Jens-Uwe Sommer, Petra Uhlmann, Björn Braunschweig and Günter K. Auernhammer.
      Adv. Colloid Interface Sci. 294, 102442 (2021) https://dx.doi.org/10.1016/j.cis.2021.102442
    • Dynamic wetting of photoresponsive arylazopyrazole monolayers is controlled by the molecular kinetics of the monolayer
      Christian Honnigfort, Leon Topp, Natalia García Rey, Andreas Heuer and Björn Braunschweig.
      J. Am. Chem. Soc. (2022) https://dx.doi.org/10.1021/jacs.1c12832

     

     

  • Dynamic advancing and receding contact angles of adaptive surfaces - H.-J. Butt, R. Berger

    Dynamic advancing and receding contact angles on adaptive surfaces
    Dynamische Fortschreit- und Rückzugskontaktwinkel auf adaptiven Oberflächen

    PIs: Hans-Jürgen Butt, Prof. Dr. (Direktor), Max-Planck-Institut für Polymerforschung Mainz, Ackermannweg 10, 55128 Mainz
    Rüdiger Berger, Dr. (Gruppenleiter), Max-Planck-Institut für Polymerforschung Mainz
    PhD student: Xiaomei Li

    Surface adaptation has been put forward to be one cause for the velocity dependence of advancing and receding contact angles, even at low slide velocity. By considering a dry-to-wet and a wet-to-dry relaxation process, we had proposed a model, which is able to explain these dynamic contact angles (Langmuir 2018, 34, 11292). The aim of our project is to experimentally verify the model and explore, how applicable it is. In the first funding period, we built an inclined plane setup to measure advancing and receding contact angles versus velocity for water drops up to 1 m/s. We synthesized a random poly(styrene/acrylic acid) copolymer PS/AA and demonstrated that for water drops on PS/AA films, advancing-contact-angle-versus-velocity-curves can indeed be fitted with the model. The fit revealed relaxation times < 2 ms of the polymer at the surface. However, we are still missing independent measurements of the dry-to-wet relaxation times, which would be required for full validation of the model.

    The aim for the second funding period is to investigate polymer surfaces, where we can independently measure the relaxation time of the dry-to-wet and the wet-to-dry transitions. Then, recorded advancing-contact-angle-versus-velocity-dependencies can be validated independently using our model. Therefore, we plan to synthesize three types of polymer brushes: (1) PS and poly(2-vinylpyridine) (PVP) binary brush films, (2) pH-responsive poly(N,N-dimethyl aminoethyl meth­acrylate) (PDMAEMA) brushes and (3) different block copolymer layers. For series of drops sliding on an adaptive surface we predicted a focusing effect. It is induced by partial adaptation caused by the first drop sliding along the surface. This drop leaves behind a lane of increased surface energy and we expect that subsequent drops will then slide along the same lane. Our aim is to verify this hypothesis.


    Schematic of a liquid drop on an adaptive polymer surface

     

    Group: Experimental physics of interfaces. We study the structure and dynamics of soft matter interfaces. Intrinsically this involves small objects due to their high interface-to-volume ratio. The scientific aim is a simple, comprehensive quantitative description of phenomena, which is based on fundamental physical laws. Major research topics are: dynamics of wetting, super liquid-repellency, surface forces, crystallization in in confined space, colloids and granular matter, photoresponsive materials. The methods used include scanning probe techniques, confocal microscopy, fluorescence correlation spectroscopy, light and X-ray scattering. To expand the range of length and time scales accessible, new methods are continuously developed to excess shorter time and smaller length scales. Our goal is to solve fundamental questions, with the perspective of future applications. “Understanding” not only implies quantitative prediction. Full understanding implies being able to make new materials and devices based on this understanding.

    Die Adaption von Oberflächen ist eine Ursache für die Geschwindigkeitsabhängigkeit der fortschreitenden und zurückweichenden Kontaktwinkel. Dies gilt auch für niedrige Kontaktliniengeschwindigkeiten. Wir haben ein Modell vorgeschlagen, das diese dynamischen Kontaktwinkel erklärt (Langmuir 2018, 34, 11292). Ziel unseres Projekts ist es, das Modell experimentell zu verifizieren und zu untersuchen, wie gut es die experimentellen Daten erklären kann. In der ersten Förderperiode haben wir einen experimentellen Aufbau entwickelt, um die vorrückenden und zurückweichenden Kontaktwinkel in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit für Wassertropfen bis zu 1 m/s zu messen. Wir haben ein statistisches Poly(styrol/Acrylsäure)-Kopolymer (PS/AA) synthetisiert. Mit Hilfe der Messungen haben wir gezeigt, dass für Wassertropfen auf PS/AA-Filmen die geschwindigkeitsabhängigen, fortschreitenden Kontaktwinkel mit dem Modell erklärt werden können. Hierbei erhielten wir Relaxationszeiten der Polymer-Oberfläche < 2 ms. Wünschenswerte wäre aber noch unabhängige Messungen dieser Relaxationszeiten, um unser Modell vollständig zu validieren.

    Das Ziel für die zweite Förderperiode ist es, Polymeroberflächen zu untersuchen, an denen wir die Relaxationszeiten des Trocken-Nass- und des Nass-Trocken-Übergangs bei Benetzung und Entnetzung zusätzlich mit einer unabhängigen Methode messen können. Dann können die gemessenen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreit-Kontaktwinkel unabhängig von unserem Experiment mit unserem Modell validiert werden. Daher planen wir die Synthese von verschiedenen an Oberflächen gehefteten Polymerbürsten: (1) Bürstenfilme aus Mischungen von PS und Poly(2-vinylpyridin) (PVP), (2) Bürstenfilme die auf den pH-Wert des Tropfens reagieren (Poly(N,N-dimethylaminoethylmeth¬acrylat) und (3) Bürstenfilm aus Blockcopolymeren. Die partielle Adaption von Oberflächen durch die Benetzung eines ersten, gleitenden Tropfens sollte einen Fokussierungseffekt für nachfolgende Tropfen erzeugen. Der erste Tropfen hinterlässt eine Spur erhöhter Oberflächenenergie. Wir gehen davon aus, dass nachfolgende Tropfen dann entlang derselben Spur gleiten werden. Unser Ziel ist es, diese Hypothese zu verifizieren und zu quantifizieren.


    Abteilung: Physik der Grenzflächen. Die Gruppe befasst sich mit der Physik von Grenzflächen in weicher Materie. Ziel ist nicht nur ein besseres Verständnis der Gleichgewichtseigenschaften, sondern auch der Dynamik bei Prozessen. Wichtige Schwerpunkte sind Oberflächenkräften und Benetzung, insbesondere von superhydrophoben und superoleophoen Oberflächen. Weitere Themen sind: Benetzung durch komplexe Flüssigkeiten, photosensitive Materialien, Kristallisation in confinement, Phononics und Photonics, granulare Materie. Als Verfahren setzen wir u. a. Rasterkraftmikroskopie, konfokale Lichtmikroskopie einschließlich Fluoreszenz-Korrelationsmikroskopie und Röntgen- sowie Lichtstreuung ein. Um die zugänglichen Längenskalen zu verkleinern und die Zeitskalen zu verkürzen, werden ständig neue Methoden entwickelt bzw. Methoden verbessert. Unser Ziel ist ein besseres Verständnis der Grundlagen. Wir sind aber offen für mögliche Anwendungen.

    https://www.mpip-mainz.mpg.de/en/butt


    Publications related to the project:

    • Xiaomei Li, Simon Silge, Alexander Saal, Gunnar Kircher, Kaloian Koynov, Rüdiger Berger, Hans-Jürgen Butt, Adaptation of a styrene-acrylic acid copolymer surface to water, Langmuir 37, 1571-1577 (2021).
    • Hans-Jürgen Butt, Jie Liu, Kaloian Koynov, Benedikt Straub, Chirag Hinduja, Ilia Roismann, Rüdiger Berger, Xiaomei Li, Doris Vollmer, Werner Steffen, Michael Kappl, Contact angle hysteresis, Current Opinion in Colloid and Interface Science 2022, accepted.
    • William S.Y. Wong, Lukas Hauer, Abhinav Naga, Anke Kaltbeitzel, Philipp Baumli, Rüdiger Berger, Maria D‘Acunzi, Doris Vollmer, and Hans-Jürgen Butt, Adaptive Wetting of Polydimethylsiloxane, Langmuir, 36, 7236 - 7245 (2020).
    • Alexander Saal, Patrick M. Seiler, Daniel Rettenmaier, Michael Ade, Ilia V. Roisman, Rüdiger Berger, Hans-Jürgen Butt, and Cameron Tropea, Shuffling gait motion of an aerodynamically driven wall-bound drop, Phys. Rev. Fluids 5, 094006 (2021).
    • Hans-Jürgen Butt und Rüdiger Berger, Treffen sich drei Phasen..., Physik Journal 20 Nr. 4, 29-34 (2021).
    • Florian Geyer, Patrick M. Seiler, Doris Vollmer, Rüdiger Berger, Wie sich Tropfen bewegen, Physik in Unserer Zeit 2, 90-96 (2019).

     

  • Modelling of spreading, imbibition and evaporation of liquids on structured or porous deformable substrates - T. Gambaryan-Roisman

    PI: Apl. Prof. Dr. Sc. Tatiana Gambaryan-Roisman, Institute for Technical Thermodynamics, TU Darmstadt, Alarich-Weiss-Straße 10, 64287, Darmstadt
    PhD student: Nikolai Kubochkin, Institute for Technical Thermodynamics, TU Darmstadt, Alarich-Weiss-Straße 10, 64287, Darmstadt

    In nature as well as in numerous industrial processes, the surfaces brought in contact with liquids are not atomically smooth but rather possess roughness. They can contain pores and cracks at different scales or be structured. The wetting phenomena manifest themselves at different scales on such surfaces. Being applicable at the macroscale and microscale, the classical theory of capillarity is broken down at the smaller scales when accounting for the intermolecular (surface) forces is paramount. Moreover, many surfaces are deformable. They

    can be exemplified by gels and rubbers, cells and biological tissues as well as by materials containing fibers and thin sheets. The softness is known to change the wetting statics and dynamics on such surfaces.

    The main objective of the project in the first three-year term was development of theoretical and numerical models for spreading, imbibition and evaporation of liquids on structured and porous substrates, taking into account the deformability of the substrate and of elements of the porous structure. The theoretical and numerical works revealed the peculiarities of the wetting, evaporation and imbibition at the nanoscale and the effect of the surface forces on these phenomena. Particularly, we have shown that the equilibrium contact angle of a sessile droplet depends drastically on the droplet size, when the droplet height is within the range of the surface force action. When the droplet spreads over an elastic substrate, the evolution of the wetting ridge shape was found to be defined by the surface forces.

    We have also demonstrated that accounting for the surface forces can lead to existence of the steady states of rivulets in open wedge channels, even when the liquid-gas interface is concave. Such steady states cannot be predicted within the approach suggested by the classical capillarity. The presence of the liquid in the open wedge channels with thin deformable walls leads to their deformation.

    In the second funding period, the developed models will be extended to include the Shuttleworth effect and the model of soft solids with structured surface and non-uniform distribution of mechanical properties. The model of wetting at nanoscale will be applied for the description of liquid imbibition and evaporation in nanopores. The model of capillary-induced deformation of corner geometries with thin walls will be used for description of the imbibition kinetics coupled with the thin wall deformation and liquid evaporation. The results of the previous work packages will be used for the development of the global transport model with the effective transport coefficients determined by the geometry, surface chemistry and mechanical properties of the substrate, the properties of the liquid and the thermodynamic conditions.

    https://www.ttd.tu-darmstadt.de/ttd/leute/people_ttd_details_1882.en.jsp
    https://www.ttd.tu-darmstadt.de/ttd/leute/people_ttd_details_183296.en.jsp

    Project-related publications:

    • Kubochkin, N., Gambaryan-Roisman, T., Wetting at nanoscale: Effect of surface forces and droplet size. Phys. Rev. Fluids, 6(9), 093603 (2021)
    • Kubochkin, N., Gambaryan-Roisman, T., Surface force-mediated dynamics of droplets spreading over wetting films. Phys. Fluids, 33(12), 122107 (2021)
    • Kubochkin, N., Gambaryan-Roisman, T., Capillary-Driven Flow in Corner Geometries. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. (accepted)
    • Kubochkin, N., Gambaryan-Roisman, T., Edge Wetting: Steady State of Rivulets in Wedges. arXiv:2201.04420, https://arxiv.org/abs/2201.04420  (2022).
    • Ghillani, N., Heinz, M., Gambaryan-Roisman, T., Capillary rise and evaporation of a liquid in a corner between a plane and a cylinder: A model of imbibition into a nanofiber mat coating, Eur. Phys. J. Spec. Top., 229, 1799 (2020)
    Droplet spreading over the wetting film covering soft elastic surface of infinite thickness. The yellow area depicts the substrate shape and the blue area depicts the droplet.
    ©
    (a) Schematic representation of the channels with rigid (in gray color) and soft (in orange color) walls. A rivulet is depicted by blue color. The walls of the channel are covered by a wetting/adsorbed film; (b) Results of numerical simulations of the rivulet in the channels with rigid and soft walls. The coordinates and heights shown in (b) are dimensionless with respect to the range of the surface force action. Only the rivulet interfaces are shown in (b). 
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    Generic configurations to be considered in the second funding period.
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  • Liquids on switchable pre-structured substrates - from microscopic to mesoscopic models - S.V. Gurevich, A. Heuer

    PD Dr. Svetlana Gurevich Institute for Theoretical Physics, University of Münster, Wilhelm-Klemm-Str. 9, 48149 Münster, Germany
    Prof. Dr. Andreas Heuer Institute for Physical Chemistry, University of Münster, Correnstrasse 28/30, 48149 Münster, Germany
    M.Sc. Leon Topp Institute for Physical Chemistry, University of Münster, Correnstrasse 28/30, 48149 Münster, Germany
    M.Sc. Moritz Teigelkötter Institute for Theoretical Physics, University of Münster, Wilhelm-Klemm-Str. 9, 48149 Münster, Germany

    Das Benetzungsverhalten von Flüssigkeiten auf Oberflächen ist abhängig von der Stärke der Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit und dem Substrat. Je stärker dabei die Wechselwirkung zwischen dem Substrat und den Flüssigkeitspartikeln ist, desto geringer ist zum Beispiel der Kontaktwinkel zwischen der Oberfläche und einem sich darauf befindlichen Tropfen. In diesem Projekt soll nun das Verhalten von Tropfen auf schaltbaren Substraten theoretisch untersucht werden. Dazu verändern wir die Wechselwirkung zwischen den Flüssigkeitspartikeln und dem Substrat durch eine einmalige Änderung oder periodisch mit variierenden Frequenzen. Dabei untersuchen wir verschiedene Eigenschaften des Tropfens. Von besonderem Interesse ist das Verhalten von Tropfen auf schaltbaren vorstrukturierten Oberflächen. So möchten wir herausfinden, wie sich ein Tropfen auf einem hydrophilen Streifen als auch auf zwei nahe beieinander liegenden Streifen bei verschiedenen Schaltfrequenzen verhält. Als Simulationsmethoden kommen sowohl teilchenbasierte Techniken (Molekulardynamik und Monte Carlo Verfahren), als auch Kontinuumsmodelle zum Einsatz.

    The wetting behavior of liquids on surfaces depends on the interaction strength between the liquid and the substrate. The higher the interaction strength between the substrate and particles of the liquid, the lower is the contact angle between the surface and the droplet placed on it. In this project the behavior of droplets on switchable surface should be investigated theoretically. For this purpose we change the interaction strength between the liquid particles and the substrate once or periodically with different frequencies. While doing so we observe different properties of the droplet. The behavior of droplets on switchable prestructured surfaces is of special interest. Thus, we want to study the behavior of a drop on a hydrophilic stripes and also on two close-by stripes for different switching frequencies. As simulation methods we use both particle based techniques (Molecular Dynamic and Monte Carlo) and continuum modelling.


    Unsere Arbeitsgruppe arbeitet breit gefächert auf dem Gebiet der theoretischen physikalischen Chemie. So werden Themenfelder der Biochemie und der Benetzbarkeit von Oberflächen ebenso erforscht wie Gläser und Elektrolyte. Dazu kommen verschiedene Simulationstechniken zum Einsatz. Es werden sowohl Molekulardynamik als auch Monte Carlo und Dichtefunktionaltheorie Simulationen verwendet.

    Our research group works in a broad range of theoretical physical chemistry. We face topics in the area of biophysics and wetting of surfaces as well as glass-forming liquids and electrolytes. For this purpose, we use different simulation methods like Molecular Dynamic and Monte Carlo as well as density functional methods.

    https://www.uni-muenster.de/Chemie.pc/forschung/heuer/gruppe/index.html

    Das wissenschaftliche Ziel der Arbeitsgruppe Selbstorganisation und Komplexität ist es, universelle Eigenschaften von Nichtgleichgewichtssystemen mit theoretischen und numerischen Methoden zu erforschen. Von besonderem Interesse sind dabei Methoden der nichtlinearen Dynamik wie Bifurkations- und Chaostheorie, welche mit Methoden der statistischen Physik und der Theorie stochastischer Prozesse kombiniert werden. Aktuelle Forschungsgebiete sind die raumzeitliche Strukturbildung in selbstassemblierenden Systemen, die raumzeitliche Dynamik in Systemen der Nichtlinearen Optik, die Grenzflächendynamik komplexer Fluide und weicher Materie, die Dynamik von Phasenübergängen und Wachstumsprozesson und die kollektive Dynamik von Biofilmen, Bakterienkolonien, Geweben und Mikroschwimmern.

    The scientific aim of the working group on Self-Organization and Complexity is to explore universal properties of non-equilibrium systems with theoretical and numerical methods. Of considerable interest are methods of nonlinear dynamics like bifurcation theory, chaos theory combined with methods of statistical physics and the theory of stochastic processes. Current areas of research are the spatio-temporal pattern formation in self-assembling systems and its control, the spatio-temporal dynamics of optical nonlinear system, the interface dynamics for complex liquids and soft and active matter, the dynamics of phase transitions and growth processes and the collective dynamics of biofilms, bacterial colonies, tissues and micro-swimmers.

    https://www.uni-muenster.de/Physik.TP/research/thiele/


    References:

    • Lied, Fabian et al. (2012). “Different growth regimes on prepatterned surfaces: Consistent evidence from simulations and experiments”. In: The Journal of Chemical Physics 136.2, p. 024704. doi: 10.1063/1.3676257.
    • Buller, Oleg et al. (2018). “Boundary-induced nucleation control: a theoretical perspective”. In: Physical Chemistry Chemical Physics 20.5 (5), pp. 3752–3760. doi: 10.1039/C7CP02348K.
    • Honisch, Christoph et al. (2015). “Instabilities of Layers of Deposited Molecules on Chemically Stripe Patterned Substrates: Ridges versus Drops”. In: Langmuir 31.38, pp. 10618–10631. doi: 10.1021/acs.langmuir.5b02407.
    • Tewes, Walter et al. (2017). “Comparing kinetic Monte Carlo and thin-film modeling of transversal instabilities of ridges on patterned substrates”. In: The Journal of Chemical Physics 146.9, p. 094704. doi: 10.1063/1.4977739.
    • Multiscale perspective on wetting on switchable substrates: mapping between microscopic and mesoscopic models
      Moritz Stieneker, Leon Topp, Svetlana Gurevich and Andreas Heuer.
      arXiv preprint arXiv:2108.00641 (2021)
    • Wetting behavior of droplets on switchable substrates: A theoretical perspective
      Moritz Stieneker, Leon Topp, Svetlana Gurevich and Andreas Heuer.
      arXiv preprint arXiv:2203.13719 (2022)
  • Drop Impact on Soft (Adaptive) Substrates - K. Harth

    Tropfen auf weichen, deformierbaren Oberflächen findet man in vielen Szenarien der Biologie, Medizin und zunehmend auch in Anwendungen. Beispielsweise kann Verformbarkeit die Aufprallresultate und die Bewegung von Flüssigkeiten massiv beeinflussen. In einigen Fällen können auch dünne flexible Schichten auf harten Substraten und / oder sowie strukturierte Oberflächen vorliegen, sodass eine komplexe mikroskopische Struktur zu betrachten ist. Während die Forschung zu statischen oder langsam bewegten Kontaktlinien auf solchen deformierbaren Oberflächen bereits fortgeschritten ist, sind qualitative und quantitative Messungen bei schneller Kontaktlinienbewegung noch rar. In diesem Rahmen bilden aufprallende Tropfen eine spezielle Problemstellung, hier wechselwirken deformierbare Oberflächen hydrodynamisch mit der bewegten Flüssigkeit selbst. Bekannt ist zum Beispiel, dass durch weiche Oberflächen das Splashing unterdrückt werden kann. Die bisherigen Experimente befassen sich hier allerdings lediglich mit Messungen der Tropfendynamik, die Deformationen des Substrates blieben weitgehend uncharakterisiert und wurden zumeist vernachlässigt. Zwei Studien des Tropfenaufpralls auf mikrometer-dünne Ölschichten [1,2] belegen allerdings schon hier wesentliche Deformationen des Substrates, weitere Experimente belegen Auswirkungen solcher dünnen Schichten auf die gesamte Tropfendynamik. Aufgrund der teils mikroskopischen, dennoch für das Gesamtbild wesentlichen, Deformationen des Substrats auf kurzen Zeitskalen, stellt deren Messung eine besondere Herausforderung dar. Teils sind zusätzlich weniger mikrometer-dicke Gasschichten involviert, deren Unterschiede zu harten, homogenen Substraten aber ebenfalls nur in Kombination mit der Dynamik des Substrates verstanden werden können.

    Im Rahmen dieses Projektes soll die gekoppelte Dynamik von Kontaktlinien, ggfs. Gasschichten und Kontaktbildung (siehe Bild), und einer dünnen Schicht eines deformierbaren Substrates quantitativ mittels optischer Methoden ermittelt werden. Hierzu werden verschiedene Techniken, z.B. schnelle konfokale Mikroskopie, Interferometrie und Totalreflexionsbildgebung mit konventionellen Seitenansichten und in Vogelperspektive kombiniert. Der Fokus und die Herausforderung liegt in schnellen Prozessen, die in teils wenigen Dutzend bis hunderten Mikrosekunden abgeschlossen sind. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse lassen sich fundierte Modelle zum Verständnis der Kontaktliniendynamik aufbauen. Die Modellierung, insbesondere numerische Simulationen und detaillierte mathematische Modelle, werden in Zusammenarbeit mit anderen Gruppen des SPP erarbeitet. Zudem sind Untersuchungen neuartiger adaptiver Materialien, welche Ihre Grenzflächeneigenschaften gezielt verändern können, geplant.


     

    Diverse scenarios in biology, medical sciences, and increasing also in technical applications involve droplets on soft, deformable substrates. Substrate flexibility and deformability can essentially alter the outcome of drop impact, but can also be exploited for directional transport of liquids. In some cases, thin flexible layers of rigid substrates and / or structured sub-layers are exploited, so that even a spatially inhomogeneous base structure needs to be considered. While research made quite some progress regarding static or slowly-moving contact lines over the last 10 to 15 years, quantitative and even qualitative measurements of substrate deformations in interaction with rapidly moving contact lines are almost not present to date. In that context, impacting droplets represent a particular field of interest. For example, it is known that soft layers can suppress splashing, and do affect drop retraction, but the (fluid) mechanical problem is by far not solved. Previous experiments have been largely limited to the dynamics of the drop liquid, the substrate deformations being uncharacterized and mostly even neglected. Impact on micrometers-thin oil films already indicates substantial substrate deformations [1,2], and additional experiments show clear evidence of an altered drop behavior. While deformations are microscopic, they are often still essential – however, they are hard to measure, in particular during fast processes which last only few dozens or hundreds of microseconds. A second challenge are sub-micrometric gas layers entrained between the drop liquid and the deformed substrate. The overall dynamics can only be understood, if all parts of the system are simultaneously characterized.

    Characterizing the coupled dynamics of a deformable substrate in interaction with rapid contact line motion and / or impacting drops experimentally, using optical methods, is the focus of the present project. This also includes entrained gas layers and the process of contact formation, an example is shown below. Methods include high-speed confocal microscopy (self-built setup), interferometry and total internal reflection imaging in combination with conventional side and top view videos. The focus, and at the same moment the challenge, lies in the required high spatial and temporal resolution of the measurements. From the new experimental insight, one may construct better and physics-based models of contact line dynamics, applicable to diverse and general cases. Other groups in the SPP are involved with numerical simulations of some special situations and the derivation of rather complex mathematical models. In addition to that, investigations of novel adaptive and switchable substrates without deformability are planned.

    References:
    [1] S. Lakshman, W. Tewes, K. Harth, J. H. Snoeijer, D. Lohse, Deformation and relaxation of viscous thin films under bouncing drops J. Fluid Mech. 920 A3 (2021)
    [2] H. Y. Lo, Y. Liu, L. Xu, Mechanism of Contact between a Droplet and an Atomically Smooth Substrate, Phys. Rev. X 7 021036 (2017)

    Kontaktbildung und -Ausbreitung unterhalb eines Tropfes, der auf eine wenige Mikrometer dünne Ölschicht trifft. Der Kontakt ist schwarz sichtbar, eine wenige hundert Nanometer dicke Gasschicht durch die Interferenzringe. Die Kontaktlinie weist eine bislang ungeklärte Finger-Instabilität auf. Das Bild ist optisch verzerrt, sodass Kreise als Ellipsen erscheinen. Das Bild rechts unten fasst die Voranschreitende Kontaktlinie farblich zusammen, Abstand der Farbstufen 16,7 Mikrosekunden, mittlere Kontaktliniengeschwindigkeit 0,72 m/s. Contact formation and propagation underneath a droplet impacted onto a few micrometers thin oil layer on a rigid glass substrate. Contact: Black region, few hundred nanometers thin gas layer: interference fringes. The contact line displays a so far unexplained fingering instability. Images are optically distorted, such that circles appear as ellipses. The image on the bottom right summarizes contact formation, where differently colored regions show the progress of the contact line in a time step of 16.7 microseconds, the mean contact line velocity is 0.72 m/s.
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  • Colloidal assembly as a tool for adaptive and switchable interfaces - J. Harting

    Colloidal assembly as a tool for adaptive and switchable interfaces
    Dynamische Benetzung flexibler, adaptiver und schaltbarer Oberflächen

    PI: Prof. Dr. Jens Harting
    PhD student: Thomas Scheel

    Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy (IEK-11)
    Forschungszentrum Jülich
    Fürther Str. 248
    D-90429 Nürnberg, Germany

    We aim at a fundamental understanding of dynamic wetting and dewetting processes on flexible, adaptive and even switchable substrates by means of lattice Boltzmann simulations and simple analytical models. We propose strategies utilizing colloidal assembly at fluid interfaces to generate “substrates” with complex geometrical and wetting properties. We will base on recent advances in the synthesis and control of colloids which led to the availability of particles with highly specific features such as well-defined shapes and surface properties together with the ability to manipulate them by external forces and fields.

    Mit Hilfe von Gitter-Boltzmann-Simulationen und einfachen analytischen Modellen wollen wir ein grundlegendes Verständnis dynamischer Be- und Entnetzungsprozesse auf flexiblen, adaptiven und sogar schaltbaren Substraten erlangen. Wir schlagen Strategien vor, bei denen kolloidale Anordnungen an Fluidgrenzflächen und in externen Feldern verwendet werden, um „Substrate“ mit komplexen Geometrien und Benetzungseigenschaften zu erzeugen. Hierbei stützen wir uns auf jüngste Fortschritte in der Synthese und Handhabung von Kolloiden, welche Partikel mit hochspezifischen Oberflächeneigenschaften verfügbar gemacht haben.