Oberflächenspannung, Benetzung und Kontaktlinienhaftung
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- Joachim Ackermann
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1 Oberflächenspannung, Benetzung und Kontaktlinienhaftung Lehrstuhl für Thermodynamik Technische Universität Kaiserslautern Kaiserslautern,
2 Oberflächenspannung und Benetzung (Abbildungen: public domain) Dampf (v) Kontaktwinkel Flüssigkeit (l) θ Kontaktlinie sl lv cos sv Festkörper (s) Young-Gleichung1 sv sl lv 1 T. Young, Phil. Trans. R. Soc. London 95 (1805) 65 2
3 Computational Molecular Engineering Naturwissenschaften (qualitative Korrektheit) Ingenieurwissenschaften (quantitative Zuverlässigkeit) Physikalisch realistische Modelle Qualitativ korrekte Modelle mit freien intermolekularer Wechselwirkungen Parametern, die quantitativ an Stoffdaten angepasst werden können Beiträge kurzreichweitiger Repulsion und Dispersion sowie lang Zuverlässige Inter- und Extrapolareichweitiger Elektrostatik tion aufgrund realistischer Modelle 3
4 Molekulare Modellierung Geometrie Bindungslängen und -winkel Dispersion und Repulsion Lennard-Jones-Potential: Längen- und Energieparameter Elektrostatik Punktpolaritäten (Ladung, Dipol, Quadrupol): Position, Stärke, ggf. Richtung 4
5 Stoffdaten aus der molekularen Simulation Homogene Systeme T ρ Dichte und Zusammensetzung auf Tauund Siedelinie, Dampfdruck, Verdampfungsenthalpie,... (Grand Equilibrium) 5
6 Stoffdaten aus der molekularen Simulation P P0 Homogene Systeme T T, x NP0T μ liq(p0), v liq(p0) ρ Dichte und Zusammensetzung auf Tauund Siedelinie, Dampfdruck, Verdampfungsenthalpie... (Grand Equilibrium1) μ liq(p)vt P, y 1 J. Vrabec, H. Hasse, Mol. Phys. 100 (2002)
7 Stoffdaten aus der molekularen Simulation Wärmeleitfähigkeit Zweiter Virialkoeffizient C2H4 4 C2H ρ -3 / mol m / mol m CO N2 O2 3.0 CO2 104 s / Pa s 104 D / mol m-1s-1 Wm 10210λ2 / /W m-1k-1-1k-1 B / cm3 mol-1 5 T/K Scherviskosität Selbstdiffusionskoeffizient m--33 mol m 10 ρ// mol ρ // mol mol m m Für akademische Nutzer ist ms2 unter frei verfügbar. T/K log P* Phasengleichgewicht: Dichte, Zusammensetzung und Dampfdruck (Grand-Equilibrium-Methode) T-1 / K-1 ρ / mol l-1 S. Deublein et al., Comp. Phys. Comm. 182 (2011) 2350 C. Glass et al., Comp. Phys. Comm. 185 (2014)
8 Stoffdaten aus der molekularen Simulation Homogene Systeme Heterogene Systeme T ρ Dichte und Zusammensetzung auf Tauund Siedelinie, Dampfdruck, Verdampfungsenthalpie,... (Grand Equilibrium) Größere Systeme und genauere Berücksichtigung langreichweitiger Beiträge 8
9 Langreichweitige Korrektur Korrektur auf Basis des Dichteprofils nach Janeček1 U i LRC k 2 ( yk ) y dr u (r )r N r' Winkelmittelung für mehrzentrige Modelle nach Lustig2 Winkelmittelung für Dipole nach Cook und Rowlinson3 1 J. Janeček, J. Phys. Chem. B 110 (2006) R. Lustig, Mol. Phys. 65 (1988) 175 D. Cook, J. S. Rowlinson, Proc. Roy. Soc. A. 219 (1953)
10 Langreichweitige Korrektur: Beispiel CO 2 Oberflächenspannung Siededichte mit Korrektur n oh mit Korrektur oh rrek o K ne e r Ko r tu ek r t ur rc / σ rc/ σ S. Werth et al., Mol. Phys. 112 (2014) 2227 Der Aufwand für die explizit berechneten paarweisen Wechselwirkungen skaliert kubisch in rc und lässt sich auf diesem Weg maßgeblich reduzieren. 10
11 Siededichte (Bulk) 0.8 Oberflächenspannung 0.6 Größeneffekt γ( d ) / γ0 lokale Dichte / σ -3 Einfluss der Systemgröße LJ 0.4 T = 0.7 ε y/σ Die Dichte in der Mitte eines nanoskaligen Flüssigkeitsfilms weicht von der Bulkdichte ab. LJ Filmdicke d / σ S. Werth et al., Phys. A 392 (2013)
12 Speedup (relativ zu 128 Cores) Massiv-parallele Molekulardynamik ls1 mardyn1, 2 1 W. Eckhardt et al., Proc. ISC 2013, LNCS 7905 (2013) 1, Heidelberg, Springer 2 Schwache Skalierung ( Moleküle pro Core) C. Niethammer et al., J. Chem. Theory Comput. 10 (2014) 4455 LJ Flüssiger Zustandspunkt Anzahl paralleler Prozesse Als freie Software verfügbar unter 12
13 Speedup (relativ zu 128 Cores) Massiv-parallele Molekulardynamik Bis zu N = auf SuperMUC Schwache Skalierung ( Moleküle pro Core) PRACE-ISC-Preis Anzahl paralleler Prozesse MD-Weltrekord mit Simulation eines homogenen flüssigen Zustandspunkts. 13
14 Validierung molekularer Modelle 2 LJ-Zentren + Quadrupol (2CLJQ) Anpassung an Bulk Überschätzung der Oberflächenspannung S. Werth et al., Chem. Eng. Sci. 121 (2015)
15 Validierung molekularer Modelle 2 LJ-Zentren + Quadrupol (2CLJQ) 2 LJ-Zentren + Dipol (2CLJD) S. Werth et al., Chem. Eng. Sci. 121 (2015) 110 S. Werth et al., J. Chem. Phys. 144 (2016)
16 Validierung molekularer Modelle Unpolar, 1CLJ Dipolar, 2CLJD (Forts.) Quadrupolar, 2CLJQ (Forts.) Andere United-Atom-Modelle (Forts.) Neon (Ne), Argon (Ar) Krypton (Kr), Xenon (Xe) Methan (CH4) R30B2 (CH2Br2) CH2I2 R12B2 (CBr2F2) R12B1 (CBrClF2) R10B1 (CBrCl3) R161 (CH2F-CH3) R150a (CHCl2-CH3) R140 (CHCl2-CH2Cl) R140a (CCl3-CH3) R130a (CH2Cl-CCl3) R160B1 (CH2Br-CH3) R150B2 (CHBr2-CH3) R131b (CH2F-CCl3) R123B1 (CHClBr-CF3) R112a (CCl3-CF2Cl) R1141 (CHF=CH2) R1132a (CF2=CH2) R1140 (CHCl=CH2) R1122 (CHCl=CF2) R1113 (CFCl=CF2) R1113B1 (CFBr=CF2) Kohlenstoffdisulfid (CS2) Ethan (C2H6) Ethylen (C2H4) Acetylen (C2H2) R116 (C2F6) R1114 (C2F4) R1110 (C2Cl4) Propadien (CH2=C=CH2) Propin (CH3-C CH) Propylen (CH3-CH=CH2) R846 (SF6) R14 (CF4) R10 (CCl4) R113 (CFCl2-CF2Cl) R114 (CF2Cl-CF2Cl) R115 (CF3-CF2Cl) R134 (CHF2-CHF2) R150B2 (CH2Br-CH2Br) R114B2 (CBrF2-CBrF2) R1120 (CHCl=CCl2) Ammoniak (NH3) Methylamin (NH2-CH3) Dimethylamin (CH3-NH-CH3) R227ea (CF3-CHF-CF3) Schwefeldioxid (SO2) Ethylenoxid (C2H4O) Dimethylsulfid (CH3-S-CH3) Blausäure (NCH) Acetonitril (NC2H3) Thiophen (SC4H4) Nitromethan (NO2CH3) Phosgen (COCl2) Benzol (C6H6) Toluol (C7H8) Chlorbenzol (C6H5Cl) Dichlorbenzol (C6H4Cl2) Cyclohexanol (C6H11OH) Cyclohexanon (C6H10O) Cyan (C2N2) Chlorcyan (CClN ) Ameisensäure (CH2O2) Monoethylenglycol (C2H6O2) Wasser (H2O) Hydrazin (N2H4) Methylhydrazin (CH6N2) Dimethylhydrazin (C2H8N2) Fluorbutan (C4F10) Ethylacetat (C4H8O2) Hexamethyldisiloxan (C6H12OSi2) Octamethylcyclotetrasiloxan (C8H24O4Si4) Dipolar, 2CLJD Kohlenmonoxid (CO) R11 (CFCl3) R12 (CF2Cl2) R13 (CF3Cl) R13B1 (CBrF3) R22 (CHF2Cl) R23 (CHF3) R41 (CH3F) R123 (CHCl2-CF3) R124 (CHFCl-CF3) R125 (CHF2-CF3) R134a (CH2F-CF3) R141b (CH3-CFCl2) R142b (CH3-CF2Cl) R143a (CH3-CF3) R152a (CH3-CHF2) R40 (CH3Cl) R40B1 (CH3Br) CH3I R30B1 (CH2BrCl) R20 (CHCl3) R20B3 (CHBr3) R21 (CHFCl2) R32 (CH2F2) R30 (CH2Cl2) Quadrupolar, 2CLJQ Fluor (F2) Chlor (Cl2) Brom (Br2) Iod (I2) Stickstoff (N2) Sauerstoff (O2) Kohlendioxid (CO2) Andere United-Atom-Modelle Isobutan (C4H10) Cyclohexan (C6H12) Methanol (CH3OH) Ethanol (C2H5OH) Formaldehyd (CH2=O) Dimethylether (CH3-O-CH3) Aceton (C3H6O) 16
17 Validierung molekularer Modelle Unpolar, 1CLJ Dipolar, 2CLJD (Forts.) Quadrupolar, 2CLJQ (Forts.) Andere United-Atom-Modelle (Forts.) Neon (Ne), Argon (Ar) Krypton (Kr), Xenon (Xe) Methan (CH4) R30B2 (CH2Br2) CH2I2 R12B2 (CBr2F2) R12B1 (CBrClF2) R10B1 (CBrCl3) R161 (CH2F-CH3) R150a (CHCl2-CH3) R140 (CHCl2-CH2Cl) R140a (CCl3-CH3) R130a (CH2Cl-CCl3) R160B1 (CH2Br-CH3) R150B2 (CHBr2-CH3) R131b (CH2F-CCl3) R123B1 (CHClBr-CF3) R112a (CCl3-CF2Cl) R1141 (CHF=CH2) R1132a (CF2=CH2) R1140 (CHCl=CH2) R1122 (CHCl=CF2) R1113 (CFCl=CF2) R1113B1 (CFBr=CF2) Kohlenstoffdisulfid (CS2) Ethan (C2H6) Ethylen (C2H4) Acetylen (C2H2) R116 (C2F6) R1114 (C2F4) R1110 (C2Cl4) Propadien (CH2=C=CH2) Propin (CH3-C CH) Propylen (CH3-CH=CH2) R846 (SF6) R14 (CF4) R10 (CCl4) R113 (CFCl2-CF2Cl) R114 (CF2Cl-CF2Cl) R115 (CF3-CF2Cl) R134 (CHF2-CHF2) R150B2 (CH2Br-CH2Br) R114B2 (CBrF2-CBrF2) R1120 (CHCl=CCl2) Ammoniak (NH3) Methylamin (NH2-CH3) Dimethylamin (CH3-NH-CH3) R227ea (CF3-CHF-CF3) Schwefeldioxid (SO2) Ethylenoxid (C2H4O) Dimethylsulfid (CH3-S-CH3) Blausäure (NCH) Acetonitril (NC2H3) Thiophen (SC4H4) Nitromethan (NO2CH3) Phosgen (COCl2) Benzol (C6H6) Toluol (C7H8) Chlorbenzol (C6H5Cl) Dichlorbenzol (C6H4Cl2) Cyclohexanol (C6H11OH) Cyclohexanon (C6H10O) Cyan (C2N2) Chlorcyan (CClN ) Ameisensäure (CH2O2) Monoethylenglycol (C2H6O2) Wasser (H2O) Hydrazin (N2H4) Methylhydrazin (CH6N2) Dimethylhydrazin (C2H8N2) Fluorbutan (C4F10) Ethylacetat (C4H8O2) Hexamethyldisiloxan (C6H12OSi2) Octamethylcyclotetrasiloxan (C8H24O4Si4) Dipolar, 2CLJD Kohlenmonoxid (CO) R11 (CFCl3) R12 (CF2Cl2) R13 (CF3Cl) R13B1 (CBrF3) R22 (CHF2Cl) R23 (CHF3) R41 (CH3F) R123 (CHCl2-CF3) R124 (CHFCl-CF3) R125 (CHF2-CF3) R134a (CH2F-CF3) R141b (CH3-CFCl2) R142b (CH3-CF2Cl) R143a (CH3-CF3) R152a (CH3-CHF2) R40 (CH3Cl) R40B1 (CH3Br) CH3I R30B1 (CH2BrCl) R20 (CHCl3) R20B3 (CHBr3) R21 (CHFCl2) R32 (CH2F2) R30 (CH2Cl2) 12 % Quadrupolar, 2CLJQ Fluor (F2) Chlor (Cl2) Brom (Br2) Iod (I2) Stickstoff (N2) Sauerstoff (O2) Kohlendioxid (CO2) 20 % Andere United-Atom-Modelle Isobutan (C4H10) Cyclohexan (C6H12) Methanol (CH3OH) Ethanol (C2H5OH) Formaldehyd (CH2=O) Dimethylether (CH3-O-CH3) Aceton (C3H6O) 22 % 17
18 Multikriterielle Modelloptimierung Pareto-Optimalitätskriterium 18
19 Multikriterielle Modelloptimierung Pareto-Optimalitätskriterium drei Zielfunktionen 2CLJQ-Modelle für CO2 Multikriterielle Optimierung setzt massiv-parallele Modellierung voraus. 19
20 Multikriterielle Modelloptimierung Patch plots zur Darstellung des Parameter- und des Zielfunktionsraums: Pareto-optimale 2CLJQ-Modelle für Sauerstoff K. Stöbener et al., Fluid Phase Equilib. 411 (2016) 33 20
21 Multikriterielle Modelloptimierung Den Kriterien schlecht genügende Modelle Schritt für Schritt eliminieren: Nach einigen Eliminierungsschritten beibehaltene 2CLJ-Modelle 21
22 Resilienz gegenüber Prioritätsänderungen Paretoknie (resiliente Lösung): Lokalisierung durch Krümmung der Front. 22
23 Molekulare Modellierung von Gemischen Sättigungsdichte1, 2 Symbole: Modelle Linien: DIPPR-Korrelation Huang et al.1 HCl Merker et al.2 CO2 Huang et al.1 Toluol Die Reinstoffmodelle wurden an Bulkeigenschaften im VLE angepasst. 1 Y.-L. Huang et al., AIChE J. 52 (2011) T. Merker et al., J. Chem. Phys. 132 (2010)
24 Molekulare Modellierung von Gemischen Modifizierte BerthelotMischungsregel ξ = 0,97 HCl ϵ AB=ξ AB ϵa ϵb Binäre Wechselwirkungsparameter ξ an Bulkdaten im VLE angepasst: 15 Simulation Experiment Zustandsgleichung p / MPa ξ= 0,9 8 CO2 Toluol K K xhcl / mol mol Y.-L. Huang et al., AIChE J. 52 (2011)
25 Molekulare Modellierung von Gemischen Modifizierte BerthelotMischungsregel ξ = 0,97 HCl CO2 ϵ AB=ξ AB ϵa ϵb Henry-Koeffizient ξ= 5 0,9 0,9 8 ξ= Toluol
26 Oberflächenspannung von Gemischen Toluol CO2 26
27 Oberflächenspannung und Adsorption Gibbs-Adsorptionsgleichung dγ = Σi Γi dμi Oberflächenspannung Adsorption Toluol + CO2 27
28 Anreicherung des Leichtsieders Toluol + CO2 Dichteprofil Anreicherung (enrichment) ECO2 28
29 Anreicherung mehrerer Komponenten Toluol + CO2 + HCl 29
30 Oberflächenspannung und Benetzung Dampf (v) Kontaktwinkel Flüssigkeit (l) θ Kontaktlinie sl lv sv Festkörper (s) Young-Gleichung cos sv sl lv 30
31 Haftung und Fortbewegung der Kontaktlinie Kontaktlinienhaftung ist messbar und wird durch die Rauheit und Struktur der Festkörperoberfläche verursacht: Quelle: F. Schellenberger et al., Phys. Rev. Lett. 116 (2016) D. Bonn et al., Rev. Mod. Phys. 81 (2009) 739 Bei der Fortbewegung der Kontaktlinie ist ggf. eine freie Energiebarriere zu überwinden, dann handelt es sich um einen aktivierten Prozess. 31
32 Einfluss der Oberflächenmorphologie Morphological analysis is simply an ordered way of looking at things. 1 1 F. Zwicky, The Observatory 68 (1948) 121 (Quelle: Optische Technologien und Photonik) (Quelle: FBK) 32
33 Tropfen auf einer planaren Oberfläche LJTS-Potential für Fluid (f) und Festkörper (s) mit σfs = σf und εs = 100 εf. Variation der Temperatur T, der Festkörperdichte ρs über den Parameter σs, der Fluid-Festkörper-Dispersionsenergie, d.h. des Parameters ζ = εfs / εf. 33
34 Tropfen auf einer planaren Oberfläche LJTS-Potential für Fluid (f) und Festkörper (s) mit σfs = σf und εs = 100 εf. Korrelation des Dichteprofils: ρ(r, y) = f(r) [h(y) + 1], exponentiell gedämpfte Oszillation h(y), tanh-profil f(r). S. Becker et al., Langmuir 30 (2014) Variation der Temperatur T, der Festkörperdichte ρs über den Parameter σs, der Fluid-Festkörper-Dispersionsenergie, d.h. des Parameters ζ = εfs / εf. 34
35 Einfluss der Tropfengröße 1 Überlagerung größenabhängiger Effekte: cos θ = γ γ vs γls τ vl R ( γ vl lin te e te γ e 150 n 0 ns io vl lin ns io Kontaktwinkel lin e n 0 γ ls 0 te ns ) T = 0.8 εf 120 ζ = ζ = ζ = S. Becker et al., Langmuir 30 (2014) io n 103 lin 104 Nfluid
36 Solvophobe und solvophile Oberflächen Variation der Fluid-Festkörper-Dispersionsenergie ζ: 90 LJTS cos θ 90 S. Becker et al., Langmuir 30 (2014) T = 0.7 ε solvophob θ > 90 solvophil θ < 90 T = 0.8 ε T = 0.9 ε T = 0.95 ε T = 1.0 ε ζ0 ζ Korrelation: cos θ proportional zu ζ ζ0 für ζ0 = 0.52 unabhängig von T. 36
37 Kritische Benetzung Bei hohen Temperaturen tritt (vor-)kritische Benetzung auf: S. Becker et al., Langmuir 30 (2014) cos θ ζ = 0.75 ζ = 0.65 ζ = 0.6 ζ = 0.5 ζ = 0.4 ζ = 0.35 ζ = 0.3 ζ = 0.25 Festkörper mit σs = σf und ρs = 1.07 σf-3 T / εf Korrelation: cos θ proportional zu ζ ζ0 und zu ( 1 T/Tc ) 2/
38 Kritische Benetzung Bei hohen Temperaturen tritt (vor-)kritische Benetzung auf: T / Tc trocken (180 ) nass (0 ) solvophob θ > 90 solvophil θ < 90 Festkörper mit σs = σf und ρs = 1.07 σf-3 ζ0 Fluid-Festkörper-Dispersionsenergie Korrelation: cos θ proportional zu ζ ζ0 und zu ( 1 T/Tc ) 2/
39 Korrelation des Kontaktwinkels Simulation für verschiedene Festkörperdichten ρs = 1.1, 2.1 und 4.0 σf-3. Beschreibung des Festkörpers durch ρs und die mittlere Potentialtiefe fs W = dx dz min y u (x, y, z ) L x Lz der Fluid-Festkörper-Wechselwirkung. W0/Tc Ermittlung von W0, der Wechselwirkungsstärke für θ = 90, abhängig von ρs. Allgemeine Korrelation θ(t / Tc, W, ρs) Wanddichte / σf
40 Korrelation des Kontaktwinkels Tc T 1 cos T,W s ktc T c W W0 s cos θ σs = σf σs = 0.8 σf σs = 0.64 σf T = 0.8 ε S. Becker et al., Langmuir 30 (2014) reduzierte Potentialtiefe W* = W / Tc 40
41 Vorhersage des Kontaktwinkels Anwendung der Korrelation auf andere (dispersiv wechselwirkende) Festkörpermodelle zum Vergleich mit Ergebnissen aus der Literatur: S. Becker et al., Langmuir 30 (2014) T = 0.7 ε, Grzelak et al. (2010) cos θ T = 0.75 ε, Ingebrigtsen und Toxværd (2007) T = 0.8 ε, eigene Ergebnisse ( ) mit σs = σf, ( ) σs = 0.8 σf und ( ) σs = 0.64 σf T = 0.9 ε, ( ) Nijmeijer et al. (1990) reduzierte Potentialtiefe W* = W / Tc 41
42 Benetzung strukturierter Oberflächen Charakterisierung der Oberflächenstruktur durch Flächenverhältnisse: 1, 2 f1 = strukturfreie Fläche ( oben ) f2 = strukturierte Fläche ( unten ) f3 = Wandfläche der Struktur (vertikal) f 1 +f 2 +f 3 Wenzel-Rauheitsfaktor w = f 1 +f 2 f1 strukturfreier Anteil ϕ = f 1 +f 2 Die Größen w und φ beschreiben Eigenschaften der Oberfläche im Mittel. 1 R. N. Wenzel, Ind. Eng. Chem. 28 (1936) 988, 2A. Cassie, S. Baxter, Transact. Faraday Soc. 40 (1944)
43 Benetzung strukturierter Oberflächen Cassie Wenzel cos θ < 1 ϕ 1 ϕ < cosθ < w ϕ w ϕ 1 ϕ cos θ > w ϕ Imprägnierung 1 ϕ w ϕ 43
44 Das Wenzel-Modell Young-Gleichung γ vs γ ls cos θ0 = γ vl Ansatz von Wenzel:1 Wenzel Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Fluid und Festkörper um den Faktor f +f +f w = f 1 +f 2 Ersetze γvs und γls durch wγvs und wγls: f1 cos θ = f2 f3 w ( γ vs γ ls ) = w cos θ0 γ vl 1 R. N. Wenzel, Ind. Eng. Chem. 28 (1936)
45 Das Cassie-Modell f1 strukturfreier Anteil ϕ = f 1 +f 2 Cassie1 f1 γvv = 0 f2 γls γvl φγls + (1 φ)γvl cos θ = cos θ0 + 1 ϕ Imprägnierung 1 A. Cassie, S. Baxter, Transact. Faraday Soc. 40 (1944)
46 MD-Simulation strukturierter Oberflächen Untersuchung des Kontaktwinkels für verschiedene Oberflächenstrukturen: Abhängigkeit θ0(t, W, ρs) bekannt1 1 S. Becker et al., Langmuir 30 (2014)
47 Kontaktwinkel im Imprägnierungszustand B H Young Höhe H = 4.7 σf Breite B = 6 σf Cassie Tropfenvolumen / σ 3 Young-Kontaktwinkel: θ0 = 55 Wenzel-Rauheitsfaktor: w = 1.78 Wenzel-Modell: θ = 0 Strukturfreier Anteil: φ = 0.5 Cassie-Modell: θ = 38 47
48 Kontaktwinkel im Imprägnierungszustand B H Young B = 6 σf Cassie B = 2 σf Tropfenvolumen / σ 3 Young-Kontaktwinkel: θ0 = 55 Wenzel-Rauheitsfaktor: w = 1.78 und 3.35 Strukturfreier Anteil: φ = 0.5 Wenzel-Modell: θ = 0 Cassie-Modell: θ = 38 48
49 Heterogen strukturierte Oberflächen Ergebnis im Imprägnierungszustand auf der homogen strukturierten Oberfläche: Kontaktwinkel θ = 45 für B = 6 σf und θ = 58 für B = 2 σf. homogen strukturiert, B = 2 σf strukturfrei (Young) homogen strukturiert, B = 6 σf Tropfenvolumen / σ 3 Kontaktbereich strukturfrei Tropfenvolumen / σ 3 Kontaktbereich strukturiert strukturiert strukturfrei 49
50 Kontaktlinienhaftung und Überlaufen Gibbs'sche Ungleichung: θ0 θ θ0 + α α 50
51 Der epitaxiale Cassie-Zustand Gibbs'sche Ungleichung: θ0 θ θ0 + α θ = 45 T = 0.8 f s = 1.1 f -3 51
52 Der epitaxiale Cassie-Zustand = 90 T = 0.8 f s = 1.1 f -3 52
53 Position der haftenden Kontaktlinie epitaxialer Cassie-Zustand LJTS T = 0.8 ε θ0 = 90 53
54 Sprung der Kontaktlinie θ max = 180 θ max < 180 vapour θ0 = 118 liquid vapour liquid θ0 = 60 θ max 150 Simulationsergebnisse stimmen mit der gibbs'schen Ungleichung überein. 54
55 Kontaktlinienbewegung durch Nukleation 55
56 Kontaktlinienbewegung durch Nukleation Bevorzugter Mechanismus bei der Fortbewegung der Kontaktlinie: 1. Lokale Bewegung in radialer Richtung durch Nukleation einer Brücke zwischen benachbarten imprägnierten Zonen. 2. Vollständige oder teilweise Ausbreitung der Brücke in axialer Richtung. Für eine radialsymmetrische Ausbreitung des Tropfens durch einen Sprung der Kontaktlinie wäre eine höhere freie Energiebarriere zu überwinden. 1 1 P. G. de Gennes, Rev. Mod. Phys. 57 (1985)
57 Asymmetrische Tropfenkontur Bei entsprechender Vorgabe kanonischer Randbedingungen bilden sich dauerhaft wandernde Tropfen mit asymmetrischer Kontur ( Mützen ). 57
58 Einordnung und Ausblick 58
59 Einordnung und Ausblick 59
60 Zusammenfassung Computational Molecular Engineering ist die skalierbare molekulare Simulation mit physikalisch realistischen molekularen Modellen. Die Oberflächenspannung und mit ihr verwandte Phänomene (z.b. Anreicherung an der Phasengrenze) können durch MD-Simulation heterogener Systeme untersucht werden. Der Kontaktwinkel dispersiv wechselwirkender Systeme wurde für planare Oberflächen charakterisiert, der Einfluss der Morphologie wurde untersucht. Die Modelle von Wenzel und Cassie geben diesen nicht korrekt wieder. Maßgeblich für heterogen strukturierte Oberflächen ist die Morphologie im Bereich der Kontaktlinie. Die Haftung der Kontaktlinie erfolgt nach der gibbs'schen Ungleichung, die Fortbewegung durch Nukleation (de Gennes). 60
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Inhaltsverzeichnis 26 Seite 1,2 Ammoniak NH 3 3 Acetylen C 2 H 2 19 Argon Ar 18 Benzol C 6 H 6 19 Butan C 4 H 10 und i-butan i-c 4 H 10 5 Chlor Cl 2 18 Chlorwasserstoff HCl 18 Cyanwasserstoff HCN 18 Dreigas-Gemische
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