Drop Impact on Soft (Adaptive) Surfaces

Alltäglich trifft man Situationen an, bei denen flüssige Tropfen auf weiche Materialien auftreffen, beispielsweise Wassertropfen auf der Haut, auf frische Farbe auftreffende Wassertropfen oder auf Blätter von Pflanzen aufschlagende Tropfen. Hingegen beschäftigt sich die bisherige Forschung hauptsächlich mit harten Oberflächen, tiefen Flüssigkeitsbecken oder mischbaren flüssigen Oberflächenschichten. Auf weichen Substraten findet man ein interessantes Spektrum neuer
Phänomene, z. B. eine höhere Effizienz von Kondensationsprozessen oder die Messbarkeit der kleinen von Zellen auf die Unterlage ausgeübten Kräfte. Statische auf weichen Substraten sitzende Tropfen wurden schon viel untersucht und modelliert, auch langsame Kontaktlinienbewegungen wurden beschrieben.

Hingegen existieren nur sehr wenige Untersuchungen der Wechselwirkungen weicher
Substrate mit Kontaktlinien hoher Geschwindigkeit, wie sie z.B. beim Tropfenaufprall auftreten. In diesem Fall wurden fast nur globale Aufnahmen der Seitenansicht gemacht.

Ziel dieses Projektes ist, die Interaktionen von 3-Phasen-Kontaktlinien (Flüssigkeit-Gas-Substrat) mit weichen, adaptiven oder sogar schaltbaren Substraten mittels optischer Methoden zu charakterisieren und somit ein weiteres Verständnis zu ermöglichen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf schnellen Kontaklinien-Bewegungen und auf der Dynamik der anpassungsfähigen Oberfläche selbst.

Durch spezielle Hochgeschwindigkeitsbildgebungstechniken in der Unteransicht
können Deformationen und Spannungen im Substrat und Informationen über die Morphologie der Kontakte gewonnen werden, welche dann mit Seitenansichten korreliert werden.

Das Projekt ist Teil des DFG-Schwerpunktes SPP2171: Dynamic Wetting of Flexible, Adaptive and Switchable Surfaces.

Droplets impacting on soft materials are frequently encountered in everyday life, e.g. water drops on skin during showering, drops impacting on fresh paint or on plant leaves. However, research so far mainly focused on hard surfaces, liquid pools and miscible liquid surface layers. Soft substrates offer an interesting spectrum of new phenomena, e.g. increase of nucleation efficiency during condensation or the possiblity of measuring the small traction forces exterted by cells. The coupled problem of static shapes of a droplet on visco-elastic substrates has been modeled extensively, and comparatively slow processes of contact line motion have been
addressed.

However, there are very few studies of the interaction of soft substrates with rapidly moving contact lines, as e.g. encountered during drop impact. In that case, almost exclusively global side view images were applied, the processes near the three phase contact line
or under the drops have not been studied microscopically.

In this project, I study drop impact and similar processes involving rapid contact line motion on soft visco-elastic gels, viscous liquid layers and more complex adaptive or switchable substrates (obtained in collaborations in the SPP) in order to reveal the connection between the micro- and macro-scale processes related to rapid contact line motion. Side view imaging will be combined with a number of non-standard high-speed bottom view techniques, providing access to the substrate's deformations, strains or contact formation processes of the surface with the liquid.

The project is part of the DFG-priority program SPP2171: Dynamic Wetting of Flexible, Adaptive and Switchable Surfaces.