Fluid nanobubbles and adsorption at solid substrates

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2011-08-02
Issue Year
2011
Authors
Kaminke, Ralf
Editor
Abstract

Solid substrates can influence the phase behaviour of fluids in different ways. Gas molecules can adsorb on a wall and build a liquid film. Since the surface of a substrate is normally corrugated, it provides discrete adsorption sites to the molecules. Thus closed to a solid substrate the entropy of a fluid is dominated by the occupation probability of this adsorption sites. So this thesis proposes a density functional theory which captures accurately the monolayer adsorption properties but covers also the growth of mesoscopic films and capillary condensation at hydrophilic conditions. This is applicable to calculate the dependence of wetting properties, pull-off forces and adhesion on temperature, humidity and substrate strength, in particular at the crossover from single particle to capillary condensed bridges. This becomes important for the description several biological systems. For example the gluing of a gecko an a wall is caused by adhesion forces between the wall and the gecko's foot, enforced by the sophisticated hierarchical structure of this foot. On the other hand a substrate can also make the stabilisation of gas nanobubbles in a liquid solution possible. Due to a large Laplace pressure such bubbles can not exist in a bulk liquid. But on a liquid solid surface they can form a spherical cap gas nanobubble. Making a density functional approach delivers a metastable or stable minimum of the grand canonical potential, depending on the size of the cap, the temperature and the substrate properties. So experimental observations on the existence of nanobubbles can be confirmed. Further an effective Laplace pressure, which captures the substrate properties, will be introduced. It solves the discrepancy between the pressure measured in nanobubbles and a higher pressure expected due to a high Laplace pressure arising from the small radius of such bubbles.

Abstract

Das Phasenverhalten von Fluiden kann durch angrenzende Substrate auf verschiedene Weisen beeinflusst werden. Gasmoleküle können an einer Wand adsorbieren und einen flüssigen Film bilden. Da eine Substratoberfläche in der Regel rau ist, stellt sie den Molekülen diskrete Adsorptionsplätze zur Verfügung. Dies führt dazu, dass die Entropie in der Nähe einer Oberfläche hauptsächlich durch die Besetzungswahrscheinlichkeit der Adsorptionsplätze beeinflusst wird. Deshalb wird in dieser Arbeit eine Dichtefunktionaltheorie vorgeschlagen, welche die Eigenschaften der Adsorption von Monolagen im Detail erfasst, aber auch die Bildung mesoskopischer Filme und Kapillarkondensation unter hydrophoben Bedingungen behandelt. Sie gibt Aufschluß über die Abhängigkeit der Benetzungseigenschaften, der Abzugskräfte sowie der Adhäsion von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Substratstärke. Insbesondere ist dies beim übergang von Verbindungen, die aus einzelnen Molekülen bestehen, hin zu kondensierten Kapillarbrücken möglich. Für die Beschreibung verschiedenster biologischer Systeme ist dies wichtig. Beispielsweise klebt ein Gecko an einer Wand, weil Adhäsionskräfte zwischen der Wand und dem Fuß des Geckos wirken. Dies wird durch die komplizierte hierarchische Struktur des Fußes erreicht. Auf der anderen Seite kann ein Substrat auch zur Stabilisierung gasförmiger Nanoblasen in einer Flüssigkeit beitragen. In einer reinen Flüssigkeit können solch winzige Bläschen aufgrund des riesigen Laplace Drucks nicht existieren. An der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Substrat können sich aber solche gasförmigen Nanoblasen bilden. Diese nehmen die Form einer Kugelkappe ein. Ein Dichtefunktionalansatz liefert je nach Größe der Kugelkappe, Temperatur und Substrateigenschaften ein metastabiles oder stabiles Minimum des Großkanonischen Potentials. Damit können experimentelle Beobachtungen über die Existenz von Nanoblasen untermauert werden. Des Weiteren wird ein effektiver Laplace Druck eingeführt, der die Substrateigenschaften berücksichtigt. Er erklärt den scheinbaren Widerspruch, zwischen dem in Nanoblasen gemessenen Druck und einem deutlich höheren Laplace Druck, der aufgrund des geringen Radiuses solcher Bläschen zu erwarten wäre.

DOI
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