Colloidal assembly as a tool for adaptive and switchable interfaces

胶体组装作为自适应和可切换界面的工具

基本信息

项目摘要

This project will contribute to the fundamental understanding of dynamic wetting and dewetting processes on flexible, adaptive and even switchable substrates by means of lattice Boltzmann simulations and simple analytical models. Our aim is to propose strategies utilizing colloidal assembly at fluid interfaces to generate “substrates” with complex geometrical and wetting properties. We will base on recent advances in the synthesis and control of colloids which led to the availability of particles with highly specific features such as well-defined shapes and surface properties together with the ability to manipulate them by external forces and fields. An example for such particles are patchy particles or Janus particles which depict a variation of their surface properties in dependence on the position. They can even be stimuli responsive or react to external magnetic and electric fields, light or changes in the properties of the surrounding fluids. Attached to a fluid interface, these abilities render them interesting candidates to create interfaces which adopt to the surrounding liquid species or can be switched by means of external fields. For example, due to external forces, a collection of microscale Janus particles with hydrophobic and hydrophilic hemispheres might rotate at the interface and thus dynamically change the macroscale wetting properties of the interface. Alternatively, these particles might be let rotate freely at the interface so that they can optimize the wetting properties by simply minimizing their surface energy. We will investigate such systems systematically by simulating the spreading and wetting dynamics of droplets on various interfaces: A pure liquid interface, an interface covered with particles with defined homogeneous wettability and geometry, and particles with anisotropic shape and wetting properties. At last, we will investigate how to “switch” particle-laden interfaces by means of external fields.
该项目将有助于通过晶格玻尔兹曼模拟和简单的分析模型对柔性,自适应甚至可切换衬底上的动态润湿和去湿过程的基本理解。我们的目标是提出利用胶体组装在流体界面产生“基板”具有复杂的几何形状和润湿性能的策略。我们将基于胶体合成和控制方面的最新进展,这些进展导致了具有高度特异性特征的颗粒的可用性,例如明确的形状和表面性质,以及通过外力和场操纵它们的能力。这种颗粒的一个例子是斑片状颗粒或Janus颗粒,其描绘了它们的表面性质依赖于位置的变化。它们甚至可以是对外部磁场和电场、光或周围流体性质变化的刺激响应或反应。附着在流体界面上,这些能力使它们成为有趣的候选者,以创建适应周围液体物质的界面,或者可以通过外部场进行切换。例如,由于外力,具有疏水性和亲水性半球的微尺度Janus颗粒的集合可能在界面处旋转,从而动态地改变界面的宏观尺度润湿性质。或者,可以让这些颗粒在界面处自由旋转,使得它们可以通过简单地使它们的表面能最小化来优化润湿性能。我们将通过模拟液滴在各种界面上的扩散和润湿动力学来系统地研究这样的系统:纯液体界面,覆盖有具有定义的均匀润湿性和几何形状的颗粒的界面,以及具有各向异性形状和润湿特性的颗粒。最后,我们将探讨如何借由外场来切换粒子负载界面。

项目成果

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