Equilibrium shape of nanometric droplets on viscoelastic substrates what happens when the substrate becomes liquid at the three-phase contact line?

Abstract

In this work, the equilibrium shape of liquid droplets on visco-elastic polydimethylsiloxane rubber substrates of different elasticities is studied. The combination of atomic force microscopy (AFM) with a first lift-off step reveals the buried interface in addition to the top contour. A second lift-off provides further details close to the three-phase contact line, where interfacial tensions are balanced in a Neumann configuration. A quantitative analysis of the reconstructed 3D droplets revealed characteristic shapes for the respective rubber substrates. Moreover, it could be shown that non-crosslinked, liquid molecules are stressinduced extracted from the elastic substrate and accumulate as a liquid rim around the base of each droplet altering the shape of the droplets and that of the deformable substrate close to the three-phase contact line. The liquid molecules also cloak the droplet with a thin layer and alter quantitatively the effective surface tension of the droplet. A detailed comparison with results from a sharp interface model provided by a collaborating theory group led us conclude that the poro-elastic nature of the PDMS rubber is responsible for this, so far unknown behaviour. To learn more about the accumulation of liquid PDMS at the three-phase contact line, we additionally started to explore the dewetting process and could see that the liquid rim extracted from the bulk PDMS appears already for very small dewetting holes and remains about constant for further growing holes.

In dieser Arbeit wird die Gleichgewichtsform von Flüssigkeitstropfen auf viskoelastischen Polydimethylsiloxan-Gummisubstraten unterschiedlicher Elastizität untersucht. Die Kombination von Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit einem ersten Lift-off-Schritt macht neben der Oberflächenkontur auch die verborgenen Grenzflächen sichtbar und mit dem AFM abbildbar. Ein zweiter Lift-off-Schritt liefert weitere Details in der Nähe der Dreiphasenkontaktlinie, wo die Grenzflächenspannungen der jeweiligen Oberflächen entsprechend der Neumann-Konfiguration ausgeglichen sind. Eine quantitative Analyse der rekonstruierten 3D Tropfenform ergab, eine charakteristische Form für das jeweilige Gummisubstrat. Außerdem konnte gezeigt werden, daß nicht quervernetzte, flüssige Molek¨ule spannungsinduziert aus dem elastischen Substrat extrahiert werden und sich als flüssiger Ring an der Basis jedes Tropfens ansammeln, wodurch die Form der Tropfen und die des verformbaren Substrats in der Nähe der Dreiphasenkontaktlinie verändert werden. Die flüssigen Moleküle umhüllen den Tropfen mit einer d¨unnen Schicht und ver¨andern quantitativ die effektive Oberflächenspannung des Tropfens. Ein detaillierter Vergleich mit den Ergebnissen eines scharfen Grenzflächenmodells, das von einer kooperierenden Theoriegruppe entwickelt wurde, führte uns zu dem Schluss, dass die poroelastische Eigenschaften des PDMS-Gummis f¨ur dieses bisher unbekannte Verhalten verantwortlich ist. Um mehr über die Ansammlung von flüssigem PDMS an der Dreiphasenkontaktlinie zu erfahren, begannen wir zusätzlich, den Entnetzungsprozess zu untersuchen, und konnten feststellen, dass der aus dem PDMS-Volumen extrahierte Flüssigkeitsring bereits bei sehr kleinen Entnetzungslöchern auftritt und bei weiter anwachsenden Löchern nahezu konstant bleibt.