Tropfenverdunstung ist ein natürlicher Prozess und zugleich von großem Interesse für viele technische Anwendungen. Erste wissenschaftliche Studien über die Tropfenverdunstung datieren vom Anfang des 20. Jahrhunderts. Seitdem hat sich diese Forschungsrichtung stark entwickelt und verschiedene technische Anwendungen basieren auf der Verdunstung von Tropfen oder hängen von dieser ab. Beispiele hierfür sind „crop spraying“, Spraykühlung, Kraftstoffverbrennung oder Inkjet-Drucken.

Die Verdunstung von reinen Flüssigkeitstropfen auf harten und inerten Oberflächen ist in der Vergangenheit gründlich untersucht und seit der Arbeit von Picknett und Bexon auch ausführlich ergründet worden. Trotz der verzeichneten wissenschaftlichen Fortschritte im Laufe des letzten Jahrhunderts ist weitere Grundlagenforschung über den Einfluss der Eigenschaften des Substrats – wie beispielsweise die Elastizität, die thermischen Eigenschaften sowie die Benetzbarkeit – auf die Verdunstung notwendig. Die vorliegende Dissertation trägt dazu bei, diese wissenschaftliche Lücke zu schließen. Darüber hinaus präsentiert diese Dissertation Untersuchungen über den Einfluss von Substrat-Elastizitätsmodulen auf das Ablagerungs-Muster, welches bei der Verdunstung von Tropfen aus Wasser-Silica Suspensionen generiert wird.

Die durchgeführten Experimente der Tropfenverdunstung (Kapitel 4) auf Oberflächen mit kontrolliertem Elastizitätsmodul zeigen, dass Tropfen schneller auf weichen Polydimethylsiloxanen (PDMS)-Substraten (Elastizitätsmodul von ~0.02 MPa) verdunsten als auf harten PDMS-Substraten (Elastizitätsmodul von ~1.5 MPa). Die schnellere Verdunstung auf weicheren Oberflächen ist durch die unterschiedliche dynamische Entwicklung des „receding“-Kontaktwinkels der Tropfen zu erklären, was eine direkte Konsequenz der Verformung des Substrats in der Nähe der Kontaktlinie („triple-phase-contact-line“) infolge der Oberflächenspannung des Tropfens ist. Es wird auch gezeigt, wie der Verdunstungsmodus von Tropfen mithilfe des Substrats mit einstellbarem Elastizitätsmodul kontrolliert werden kann. Hierfür ist ein vereinfachtes Modell zur Beschreibung des „receding“-Kontaktwinkels in Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls und der maximalen Verformungshöhe des Substrats entwickelt worden, welches die experimentellen Werte gut abbildet.

Die Untersuchung der Ablagerung von Partikeln bei der Verdunstung von Tropfen aus Wasser-Silica-Suspensionen auf PDMS-Substraten zeigt (Kapitel 5), dass die Geschwindigkeit der Kontaktlinie während der Verdunstung vom Elastizitätsmodul des Substrats abhängig ist. Da die Ablagerung von Partikeln durch diese Geschwindigkeit kontrolliert wird, wird die Ablagerung während der Verdunstung bei konstantem Kontaktwinkel vom elastischen Substrat beeinflusst. Die Ablagerung der Partikel ist daher auch kontrollierbar, ohne zwangsläufig die Eigenschaften der Flüssigkeit oder der Partikel ändern zu müssen. Das Verhältnis zwischen Höhe der Ablagerung am Rand und im Zentrum – ein wichtiger Parameter für die Charakterisierung der Homogenität der Ablagerung – sinkt mit sinkendem Elastizitätsmodul. Ich habe ein Modell entwickelt, um die Geschwindigkeit der Kontaktlinie unter Berücksichtigung von Kapillarkräften, der viskoelastischen Dissipation im sowie der Reibung der Kontaktlinie auf dem Substrat zu beschreiben. Die experimentell beobachteten Werte werden sehr gut wiedergegeben.

Die Untersuchung der thermischen Eigenschaften (Wärme- und Temperaturleitfähigkeit) sowie der Benetzbarkeit des Substrats auf die Tropfenverdunstung (Kapitel 6) zeigt, dass Tropfen auf höher wärmeleitenden Substraten (Silizium) schneller verdunsten als auf weniger wärmeleitenden Substraten (Glas). Mithilfe eines von meinem Kooperationspartner (TTD, TU Darmstadt) entwickelten numerischen Modells habe ich nachgewiesen, dass die Temperatur unterhalb des Tropfens ursächlich für die unterschiedliche Verdunstungszeit ist. Des Weiteren zeigt sich, dass die Benetzbarkeit des Substrats oder die Zugabe von Tensiden die Benetzungsmenge (Menge der Flüssigkeit, die auf dem Substrat haften bleibt) einer besprühten Probe beeinflussen. Sowohl bei steigender Hydrophilie als auch bei Zugabe von Tensiden, sinkt die Benetzungsmenge auf dem Substrat. Dementsprechend wird die vollständige Trocknung der Substrate durch Verdunstung schneller.

Abschließend ist festzuhalten, dass die in der vorliegenden Dissertation vorgestellten Ergebnisse einen konkreten Fortschritt in der Grundlagenforschung über Tropfenverdunstung darstellen. Ich habe gezeigt, dass die Elastizität des Substrats in der Lage ist, die Dynamik der Kontaktlinie direkt zu beeinflussen. Dadurch ist es auch möglich die Verdunstung des Tropfens sowie die Ablagerung der Partikel zu kontrollieren. Je kleiner der Elastizitätsmodul eines Substrats ist, umso schneller verdunstet der Tropfen und umso höher sind die Geschwindigkeiten der Kontaktlinie bei konstantem Kontaktwinkel-Verdunstungsmodus. Mit steigenden Kontaktliniengeschwindigkeiten steigt auch die Menge von abgelagerten Partikeln. Die Wärmeleitfähigkeit des Substrats beeinflusst die Verdunstungsrate des Tropfens. Je höher die Wärmeleitfähigkeit des Substrats, umso höher ist die Temperatur unterhalb des Tropfens und umso schneller erfolgt die Verdunstung.