Surfactants on liquid-infused surfaces

QC 260720

Abstract

Vätskeinfunderade ytor (LIS) är en lovande bioinspirerad teknik för att minska strömningsmotstånd och motverka påväxt. Genom att innesluta en smörjande vätska i ett mikrostrukturerat underlag ersätter LIS en del av en styv, fast vägg med en vätske-vätske-gränsyta. Om denna gränsyta förblir rörlig kan det yttre flödet uppleva glidning och minskat visköst motstånd. Experiment visar dock ofta betydligt lägre glidning än vad som förutsägs av idealmodeller för rena gränsytor. Denna licentiatavhandling undersöker mekanismerna bakom denna prestandaförsämring, med särskilt fokus på ytaktiva ämnen, så kallade surfaktanter.Med lokala experimentella mätningar och direkta numeriska simuleringar (DNS) visar detta arbete hur spårmängder av surfaktanter vid vätske-vätske-gränsytan kan generera Marangoni-spänningar som kraftigt minskar glidningen. Avhandlingen bygger på två inkluderade delarbeten. Den första studien använder Doppler-optisk koherenstomografi (D-OCT) för att bestämma lokala glidhastigheter på längsgående LIS. Den uppmätta glidningen ligger långt under prediktionerna för rena gränsytor och stämmer väl överens med simuleringar av en immobiliserad gränsyta. För att förklara denna immobilisering använder den andra studien DNS för att kartlägga surfaktanttransporten kopplad till vätskeflödet. Resultaten visar att skjuvningsdriven rörelse vid gränsytan omfördelar surfaktanter längs gränsytan och skapar koncentrations- och ytspänningsgradienter. Dessa gradienter genererar Marangoni-spänningar som motverkar det yttre flödet och kan minska gränsytans hastighet till nästan noll. Tredimensionella simuleringar visar att ojämna surfaktantfördelningar vid höga Marangoni-tal kan driva återcirkulerande rörelser vid gränsytan även när den genomsnittliga glidningen är undertryckt. Slutligen visas att läckage av surfaktanter från gränsytan delvis kan återställa dess rörlighet.Sammantaget överbryggar resultaten klyftan mellan ideal teori för rena gränsytor och experimentella observationer. Avhandlingen fastställer att Marangoni-spänningar orsakade av surfaktanter är en central mekanism för glidförsämring på vätskeinfunderade ytor. Följaktligen kan praktisk utformning och utvärdering av LIS inte enbart baseras på teorin om rena gränsytor. Även spår av föroreningar kan minska gränsytans hastighet till nästan noll, vilket gör att vätske-vätske-gränsytan i praktiken beter sig som en immobiliserad gränsyta.

Link to DiVA