Wetting and dewetting of solid substrates under external complex body forces

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει τη διαβροχή των στερεών επιφανειών υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων. Στα πλαίσια αυτής πραγματοποιήθηκε ο σχεδιασμός και η κατασκευή του Κέρβερου, μιας καινοτόμας φυγοκεντρικής διάταξης, που ρυθμίζει ταυτόχρονα και ανεξάρτητα την κλίση του συστήματος σταγόνα/ στερεή επιφάνεια και την επιτάχυνση που επιβάλλεται σε αυτό κατά την περιστροφή, με αποτέλεσμα την ανεξάρτητη μεταβολή της εφαπτομενικής και της κάθετης δύναμης που επιβάλλονται στη σταγόνα. Για την δυναμική καταγραφή της σταγόνας στο χώρο, χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα τρεις Wi-Fi κάμερες λήψης βίντεο. Τα στιγμιότυπα της κίνησης των σταγόνων αναλύονται από ειδικό λογισμικό. Συνδυάζοντας τις γωνίες επαφής και το περίγραμμα της σταγόνας που προκύπτουν από την εμπρός και πλάγια όψη της σταγόνας, με το περίγραμμα της βάσης από την άνω όψη της, το λογισμικό συνθέτει την τρισδιάστατη γεωμετρία της σταγόνας και την κατανομή των γωνιών επαφής με τη στερεή επιφάνεια κατά μήκος της περιμέτρου της. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης εξετάζεται αρχικά η ελάχιστη εφαπτομενική δύναμη που πρέπει να ασκηθεί στη σταγόνα για την εξάπλωση και την ολίσθησή της σε υδρόφιλες και υδρόφοβες στερεές επιφάνειες. Επιπλέον, μελετάται για πρώτη φορά η επίδραση της αρχικής συμμετρίας της σταγόνας στην ελάχιστη απαιτούμενη αυτή δύναμη, καθώς οι έως τώρα μελέτες αφορούν στη συμμετρική ως προς άξονα αρχική γεωμετρία σταγόνας. Τα πειραματικά αποτελέσματα χρησιμοποιούνται για την επιβεβαίωση της εξίσωσης Furmidge στη περιγραφή των δυνάμεων συνοχής συμμετρικών σταγόνων ως προς άξονα. Επίσης, με τη βοήθεια του Κέρβερου επιβάλλεται πεδίο δυνάμεων στη σταγόνα συνδυάζοντας τις βαρυτικές δυνάμεις με τις φυγοκεντρικές. Κατά την πειραματική διαδικασία εφαρμόζονται κύκλοι αυξομείωσης των εφαπτομενικών δυνάμεων και μελετάται η αντίστοιχη μεταβολή των γωνιών επαφής, του πλάγιου και άνω περιγράμματος καθώς και του τρισδιάστατου σχήματος της σταγόνας. Σε επόμενο στάδιο αναπτύσσονται δυο μαθηματικά μοντέλα, η λειτουργικότητα των οποίων δοκιμάζεται μέσω πειραμάτων διαβροχής. Το σημείο εκκίνησης του πρώτου θεωρητικού μοντέλου είναι η απλή περίπτωση στην οποία διδιάστατη σταγόνα υπόκειται αποκλειστικά σε κάθετες ή εφαπτομενικές δυνάμεις, γραμμικοποιώντας τον παράγοντα καμπυλότητας της εξίσωσης Young-Laplace. Έπειτα, η επίλυση του μοντέλου επεκτείνεται στην γενική περίπτωση όπου η κάθετη και η εφαπτομενική δύναμη επιβάλλονται ταυτόχρονα στο υπό μελέτη σύστημα. Τέλος, αναπτύσσεται ένα τρισδιάστατο μη γραμμικό μοντέλο και επιλύεται αριθμητικά. Η επίδοση των δύο μοντέλων επιβεβαιώνεται από τα πειραματικά αποτελέσματα, δείχνοντας έτσι την επιτυχία του τρισδιάστατου μη γραμμικού μοντέλου. Με στόχο την επίτευξη όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστικών συνθηκών διαβροχής, μελετάται η συμπεριφορά των σταγόνων υπό την επίδραση υπολειμματικών εφαπτομενικών δυνάμεων. Η ταχύτητα περιστροφής και η κλίση της στερεής επιφάνειας αυξάνονται εναλλάξ με σκοπό την τμηματική ακολουθία του συμμετρικού πλάγιου προφίλ της καμπύλης της σταγόνας. Η καμπύλη αυτή ακολουθείται σε τρία και έξι βήματα αυξάνοντας πρώτα είτε την ταχύτητα περιστροφής, είτε την κλίση της στερεής επιφάνειας.