Смачивание и гидродинамические свойства анизотропных супергидрофобных поверхностей, страница 2

Конференция фонда «Династия» «Молодые ученые России–2015»,Москва, 13–14 апреля 2015;а также представлены на семинарах в Междисциплинарном центре помоделированию современных материалов ICAMS (Рурский Университет,Бохум, Германия, 16 октября 2012); в Институте Лейбница Интерактивныхматериалов DWI (Рейнско-Вестфальский Технический Университет, Ахен,Германия, 18 июня 2013 и 10 июня 2014); на Кафедре теории конденсированных сред (Институт Физики, Университет им. И. Гутенберга,Майнц, Германия, 7 мая 2014); в Лаборатории механики многофазныхсред (Институт Механики МГУ имени М.

В. Ломоносова, Москва, 25марта 2015); на Кафедре физики полимеров и кристаллов (Физическийфакультет МГУ имени М. В. Ломоносова, Москва, 28 октября 2015) ина совместном семинаре Института физики твердого тела и Институтатеоретической физики им. Л. Д. Ландау (Институт физики твердого телаРАН, Черноголовка, 20 ноября 2015).Личный вклад автора. Постановка задачи, результаты исследований иих интерпретация обсуждались с научным руководителем диссертационной работы О.

И. Виноградовой. Подготовка к публикации полученныхрезультатов проводилась совместно с соавторами. Все экспериментальныеданные и данные компьютерного моделирования получены личнодиссертантом и являются определяющими. (Экспериментальная работапроводилась при участии А. Муррана и А. Кюне, компьютерноемоделирование — при участии Й. Хартинга и С. Шмишека, оригинальный исходный код для метода решеточного уравнения Больцманапредоставлен Й. Хартингом).

Представленные в работе теоретическиефизико-математические модели были разработаны автором совместно сО. И. Виноградовой — для главы 2, автором совместно с Е. С. Асмоловым,Т. В. Низкой и О. И. Виноградовой — для глав 3 и 4.Структура диссертации и объем работы. Диссертация изложена на123 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав,заключения, благодарностей, списка сокращений и обозначений и спискацитируемой литературы, включающего 147 источников.

Работа содержит46 рисунков и 4 таблицы.7Содержание диссертацииВведение содержит обоснование актуальности решаемых проблем,определение целей и задач диссертационной работы. Приведены структураи краткое содержание работы по главам.Первая глава представляет из себя обзор литературы по темедиссертации, в главе ставятся и обосновываются цели и задачидиссертационной работы, объекты и методы исследования. В обзорелитературы анализируются современные представления о супергидрофобных поверхностях, их смачивании и гидродинамических свойствах.В частности, описаны известные условия устойчивости состояний Кассии Венцеля.

Представлены существующие теоретические модели дляописания краевых углов и эффективной длины скольжения супергидрофобных поверхностей. Описана возможность решения актуальных задачмикрофлюидики с помощью управления гидродинамическими свойствамисупергидрофобных поверхностей. Показана необходимость исследованияанизотропных супергидрофобных поверхностей, в первую очередь,«страйп-текстур» (периодических массивов параллельных прямоугольныхв сечении канавок), которые обладают максимальной анизотропиейсвойств и перспективны для использования в различных приложениях.Помимо этого, освещены современные методы получения текстурированных поверхностей, методы экспериментального исследованиягидродинамических свойств супергидрофобных поверхностей, а такжесовременные методы разделения частиц с анализом перспективностииспользования для этой цели супергидрофобных материалов.

В заключительной части главы сформулированы следующие выводы:1. Изучение свойств супергидрофобных поверхностей является актуальной современной задачей. При этом наибольший интерескак с точки зрения гидродинамических свойств, так и с точкизрения смачивания представляют супергидрофобные текстуры смаксимальной анизотропией и в частности — «страйп-текстура».2. Исходя из современных экспериментальных и вычислительныхвозможностей, для рационального использования анизотропных8супергидрофобных текстур необходимо комплексное исследование,сочетающее эксперимент, теоретический анализ и компьютерноемоделирование.

При этом важны как статические свойства этихповерхностей: устойчивость состояния Касси и гистерезис краевогоугла, — так и гидродинамические: длина скольжения и гидродинамическое сопротивление.3. Наиболее целесообразным методом изготовления анизотропныхсупергидрофобных поверхностей с контролируемой геометриейповерхностнойтекстурыявляетсяметодмягкойлитографии,который позволяет получать заданную геометрию текстуры вшироком диапазоне масштабов и дает возможность для дальнейшегоиспользования полученных поверхностей в микрофлюидике.4. Смачивание и гидродинамические свойства супергидрофобных«страйп-текстур» позволяют предположить, что такие поверхностимогут быть эффективно использованы для решения актуальнойзадачи разделения микрочастиц по размерам.Вторая глава является детальным описанием экспериментальныхметодов и метода компьютерного моделирования, использованных вдиссертационной работе.

В главе описаны способы получения супергидрофобных «страйп-текстур» с различной геометрией (фотолитографияи мягкая литография), метод изготовления микроканалов с текстурированной стенкой, методы исследования свойств супергидрофобныхтекстур (гистерезиса краевого угла, устойчивости состояния Касси,измерения гидродинамических сил вблизи супергидрофобных текстурс помощью атомно-силовой микроскопии, метод измерения кривизнымениска). Также подробно описана методика наблюдения за движениемчастиц в микроканале. В заключительной части второй главы представленметод решеточного уравнения Больцмана, который использовался длякомпьютерного моделирования, с описанием его основных принципов, атакже параметров моделируемой системы.Третья глава посвящена исследованию смачивания «страйп-текстур»с различным периодом L в широком диапазоне доли контакта «жидкостьтвердое» 0 < φтв < 1.

Именно φтв = 1 −9wL(см. Рис. 1) являетсяРис. 1: Фотографии капли воды на супергидрофобной «страйп-текстуре»: а) видспереди, б) вид сбоку.основным параметром, определяющим смачивание и гидродинамическиесвойства супргидрофобной поверхности в состоянии Касси: от φтвзависит динамика краевой линии при оттекании и натекании жидкости,устойчивость газового слоя на межфазной границе и эффективная длинаскольжения. Поэтому возможность использования супергидрофобных«страйп-текстур» в различных приложениях определяется φтв . В даннойглаве изучаются зависимость от φтв гистерезиса краевого угла, механизмовдвижения линии трехфазного контакта и устойчивости состояния Касси.Для супергидрофобной «страйп-текструы», кроме гистерезиса краевогоугла, характерна еще и анизотропия смачивания (Рис.

1). В связи сэтим основной задачей первого раздела данной главы является изучениемеханизмов движения линии трехфазного контакта с учетом анизотропиии гистерезиса. Как для оттекания, так и для натекания экспериментальнонаблюдается отклонение значений краевых углов от линейного законаКасси [1].

Это отклонение объясняется влиянием слабых дефектов(наношероховатостей и неоднородностей гладких участков поверхности) исильных дефектов (границ полос супергидрофобной текстуры). Отдельноевнимание уделяется механизмам движения краевой линии, различным приоттекании и натекании. На основании описанных механизмов в работепредложены теоретические модели, которые согласуются с полученнымиэкспериментальными данными для зависимостей краевых углов отфракции «твердое-жидкость».10Рис.

2: а) Схематическое изображение деформированной краевой линии приоттекании; б-д) микрофотографии краевой линии при оттекании (б,в) инатекании (г,д), полученные с помощью оптической (б,г) и конфокальной(в,д) микроскопии.В работе показано, что при оттекании значение краевого угла для обоихглавных направлений текстуры определяется скольжением вдоль ее полос.Это приводит к изотропии краевого угла и деформации краевой линии нагазовых участках за счет «пиннинга» на твердых участках.Теоретический анализ формы деформированной краевой линии,полученной по данным различных видов микроскопии (Рис. 2(ав)), позволяет оценить энергию упругой деформации и получитьвыражение для краевого угла оттекания, которое записывается в видемодифицированного уравнения Касси:cos θо∗ = −1 + φтв (1 + cos θо ) −2a + 1 2φтв ln φтв ,2(1)где θо — краевой угол оттекания на гладкой поверхности того жехимического состава и a — параметр, характеризующий форму краевойлинии (см.

Рис. 2(а)).На Рис. 3(а) приведены экспериментальные данные для угла оттеканияв сравнении с предсказаниями теоретической модели по ур. (1).Предложенная теоретическая модель с точностью до ошибки измеренияописывает экспериментальные данные в области φтв < 0, 4, что выходит запределы ограничения w L, использованного при выводе уравнения длякраевого угла оттекания.В отличие от оттекания, для натекания характерен механизм каченияжидкости по поверхности (Рис. 2(г, д)).

Влияние сильных дефектовпри таком механизме носит анизотропный характер, и вид конечного11Рис. 3: Зависимость косинусов углов оттекания (а) и натекания (б) на супергидрофобной «страйп-текстуре» от доли контакта «жидкость-твердое»на межфазной границе φтв . Кружки соответствуют продольномунаправлению текстуры, квадраты — поперечному. Линии соответствуюттеоретическим предсказаниям: а) ур. (1) для угла оттекания; б) ур. (2)(пунктирная линия) и ур. (3) (сплошная линия) для угла натекания.выражения для краевого угла зависит от направления движениякраевой линии.

Для продольного направления краевой угол натеканиязаписывается в следующем виде:cos θн∗k = −1 + φтв (1 + cos θн ),(2)а для поперечного направления краевой угол натекания определяетсяусловиемcos θн∗⊥ = −1 + φтв (1 + cos θн ) + φ2тв (1 + cos θн ).(3)Экспериментальные данные и предсказания теоретической моделипредставлены на Рис. 3(б). Наблюдается ярко выраженная анизотропиясмачивания, которая связана с взаимодействием жидкости с сильнымидефектами супергидрофобной поверхности, концентрация которых накраевой линии изменяется при движении в поперечном направлении«страйп-текстуры» и остается постоянной при продольном движении.Во втором разделе главы исследуется устойчивость состояния Кассидля супергидрофобных «страйп-текстур». Показано, что для большинстваиспользуемых текстур состояние Касси является метастабильным, и приопределенном давлении в жидкости происходит переход в состояние12Венцеля.