Droplet wetting on chemically and mechanically structured surfaces

In dieser Arbeit wird das Benetzungsverhalten von Tröpfchen auf chemisch strukturierten und mechanisch strukturierten Oberflächen untersucht. Hier werden die Gleichgewichtsformen und die Quasi-Gleichgewichtsbewegungen von Tröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen, das Benetzungsverhalten von Mehrphasentröpfchen auf chemisch heterogenen Oberflächen und das Tröpfchenpermeationsverhalten in einer einzelnen Porenstruktur angesprochen. Zu guter letzt wird das Phasenfeldmodell validiert, um die Tröpfchendynamik auf festen heterogenen Oberflächen zu untersuchen, und das validierte Modell wird verwendet, um die steuerbare Bildung von Satellitentröpfchen während des Entwässerungsprozesses für dünne Flüssigkeitsfilme auf chemisch strukturierten Oberflächen zu untersuchen.
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Für Tröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen werden zunächst die Gleichgewichtsform von Tröpfchen und die Kontaktlinienbewegung auf chemisch streifenmusterierten Oberflächen untersucht. Es wurde gezeigt, dass das Phasenfeldmodell sehr robust ist, um die Gleichgewichtsform, die Ausbreitungsdynamik und die Phasenänderung von Tröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen zu simulieren. Man erhält ein morphologisches Diagramm, das zeigt, dass das Tröpfchenaspektverhältnis und die Anzahl der Gleichgewichtsformen eng mit der skalierten Streifenbreite zusammenhängen. Durch die Vergleiche zwischen kondensierenden und verdampfenden Tröpfchen wird ein Hysteresephänomen beobachtet, das beweist, dass die unterschiedlichen Tröpfchenformen über unterschiedliche Bewegungspfade erreicht werden können. Darüber hinaus wird ein präzises mathematisch-physikalisches Modell vorgeschlagen, um die Tröpfchenkonfigurationen auf drei typischen programmierbaren chemisch strukturierten Oberflächen zu beschreiben. Dieses analytische Modell basiert auf der Berechnung der Oberflächenenergielandschaft und wurde erfolgreich gegen Phasenfeldsimulationen und Experimente validiert.
Es kann als Anleitung für Experimente und Simulationen dienen, um verschiedene Gleichgewichtsformen ohne blinde Versuche zu finden. Dieses analytische Modell gilt insbesondere für die Situation, in der die Größe der chemischen Heterogenität mit der Tröpfchengröße vergleichbar ist. Basierend auf diesem Konzept wird ein modifiziertes Cassie-Baxter-Modell vorgeschlagen, um die anisotropen Benetzungskonfigurationen zu adressieren. Zusätzlich wird das Mehrphasen-Phasenfeldmodell verwendet, um das Benetzungsverhalten von Mehrphasentröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen zu untersuchen, und die Wechselwirkung der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche, die durch unterschiedliche Werte der Grenzflächenspannungen beeinflusst wird, wird diskutiert.

Das Phasenfeldmodell wird weiter validiert, um die Tröpfchenbenetzungszustände in einer Keilstruktur zu untersuchen. Danach wird das Tröpfchenbenetzungsverhalten in einer Porenstruktur theoretisch und numerisch untersucht, um das Kriterium für die Tröpfchenpermeation zu finden. Es ist erwiesen, dass der Öffnungswinkel und die Hydrophobizität des Substrats einen großen Einfluss auf das Tröpfchenpermeationsverhalten haben.

Schließlich wird das Cahn-Hilliard-Modell mit Navier-Stokes-Gleichungen gekoppelt, um die Tröpfchendynamik auf chemisch strukturierten Oberflächen zu untersuchen. Wir finden eine neue Strategie zur Kontrolle der Bildung von Satellitentröpfchen durch gezielte Gestaltung der chemischen Muster.

In this thesis, the droplet wetting behaviors on chemically patterned and mechanically structured surfaces are investigated. Here, the equilibrium shapes and the quasi-equilibrium movements of droplets on chemically patterned surfaces, the wetting behaviors of multiphase droplets on chemically heterogeneous surfaces, and the droplet permeation behaviors in a single pore structure are addressed. Last but not least, the phase-field model is validated to investigate the droplet dynamics on solid heterogeneous surfaces and the validated model is utilized to study the controllable satellite droplet formation during the thin liquid film dewetting process on chemically patterned surfaces.
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For droplets on chemically patterned surfaces, firstly the equilibrium shape of droplets and the contact line movement on chemically stripe-patterned surfaces are studied. The phase-field model is shown to be highly robust when simulating the equilibrium shape, the spreading of the contact line, and phase change of droplets on chemically patterned surfaces. A morphological diagram is obtained which reveals that the droplet aspect ratio and the number of equilibrium shapes are closely related to the scaled stripe width. Through the comparisons between condensing and evaporating droplets, a hysteresis phenomenon is observed, proving that the different droplet shapes can be obtained via distinct moving paths. Furthermore, a mathematical-physical model is proposed to describe the droplet configurations on three typically programmable, chemically patterned surfaces. This analytical model is based on the calculation of surface energy landscape and has been successfully validated through phase-field simulations and experiments.
It can serve as guidance for experiments and simulations to find different equilibrium shapes without blind attempts. Particularly, this analytical model is valid for the situation where the chemical heterogeneity size is comparable to the droplet size. Besides, a modified Cassie-Baxter model is proposed to address the anisotropic wetting configurations. Additionally, the multiphase phase-field model is used to study the multiphase droplet wetting behaviors on chemically patterned surfaces. The interaction of liquid-liquid interface, influenced by different values of interfacial tensions, is discussed.

The phase-field model is further validated to study the droplet wetting states in a pore structure. Thereafter, the droplet wetting behavior in a pore structure is theoretically and numerically explored, so as to find the criterion for droplet permeation. It is proved that the open angle and hydrophobicity of the substrate both have a great impact on the droplet permeation behavior.

Finally, the Cahn-Hilliard model is coupled with Navier-Stokes equations to study the droplet dynamics on chemically patterned surfaces. A new strategy was found to control the formation of satellite droplets through a deliberate design of the chemical patterns.