Fluidics of thin polymer films : boundary conditions and interfacial phenomena

Abstract

Fließprozesse auf der Mikro- und Nanometerskala sind von enormem grundlagenwissenschaftlichem Interesse und bergen, z.B. in Lab-on-a-Chip-Anwendungen, zudem großes technologisches Potential. Das Verständnis der Stabilität und Dynamik dünner Flüssigkeitsfilme erlaubt Rückschlüsse auf Wechselwirkungen an Grenzflächen und auf das Verhalten von Flüssigkeiten auf molekularer Ebene. Dünne Polymerfilme auf hydrophoben Substraten unterliegen unterschiedlichen Entnetzungsmechanismen wie z.B. der Nukleation von Löchern. Der Fokus dieser Arbeit lag dabei im Speziellen auf der Quantifizierung der hydrodynamischen Randbedingung an der fest/flüssig Grenzfläche, der sog. Sliplänge. Im ersten Teil wurde die Dynamik des Lochwachstums studiert. Hierbei konnte der Einfluss des Substrats auf die Entnetzungsdynamik quantifiziert werden. Zudem hat die Länge der Polymerketten einen enormen Einfluss auf die Sliplänge und somit auf das Fließverhalten. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Morphologie des Randwulstes untersucht, der das Loch umgibt. Basierend auf theoretischen Modellen konnte die Sliplänge zur Charakterisierung der Randbedingung bestimmt werden. Es zeigte sich, dass diese mit der dritten Potenz der Kettenlänge des Polymers skaliert, sobald Verhakungen auftreten. An der Grenzfläche selbst ist die Dichte dieser Verhakungen um den Faktor drei bis vier reduziert. Diese Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung von Polymer-Konformationen an der fest/flüssig Grenzfläche für das Fließverhalten.

Flow processes on the micro- and nanometer scale are of enormous scientific interest and additionally hold, e.g. in lab-on-a-chip applications, large technological potential. The understanding of the stability and the dynamics of thin liquid films allows for drawing conclusions about the interactions at interfaces and on the behavior of liquids on the molecular level. Thin polymer films on hydrophobic substrates are subject to different dewetting mechanisms such as e.g. the nucleation of holes. The focus of this study lies in particular on the quantification of the hydrodynamic boundary condition at the solid/liquid interface, the slip length. In the first part, the dynamics of hole growth was studied. Thereby, the impact of the substrate on the dewetting dynamics is quantified. Moreover, it is found that the length of the polymer chains exerts a dominating influence on the slip length and, thus, on the flow properties. In the second part of this thesis, the morphology of the rim surrounding the hole is studied. Based on theoretical models, the slip length characterizing the boundary condition is determined. It is shown that the slip length scales with the third power of the chain length of the polymer as soon as chain entanglements occur. At the interface itself, the density of entanglements is reduced by a factor of 3 to 4. These findings emphasize the relevance of polymer conformations at the solid/liquid interface for the flow properties.