Investigations on nanoscale wetting, fluid transport, and droplet evaporation at nanostructured surfaces by molecular dynamics simulations

Abstract

There is a significant need to understand solid-liquid interactions at nanoscale to determine the fluid behavior in several revolutionary applications. Specifically, nanoscale surface wetting, nanoscale liquid transport, and nanoscale heat transfer are the most sought-after subjects in recent scientific and industrial applications. This thesis focuses on characterization and possible control of wetting, fluid flow, and heat transfer using nanoscale surface structures. First, wetting behavior on a nanostructured surface was studied to resolve contact angle hysteresis. The droplet was found stabilized at a metastable state with a contact angle significantly different from its equilibrium value due to contact line pinning from the surface asperities. The contact angle was found to increase linearly by increasing droplet size when the droplet is pinned. However, these pinning effects become negligible, and the contact angle reaches the equilibrium value of the corresponding surface when the surface structure size becomes negligible compared to droplet size. Second, fluid flow in nanostructured nanochannels was studied to determine the transport behavior. While the slip boundary condition on a smooth surface correlated with the wetting angle, transport in a nanostructured channel remained mostly independent from wetting condition of the corresponding surface structure. Lastly, droplet evaporation over nanopatterned surfaces was investigated. When the droplet temperature reached the Leidenfrost point, a sudden increase in the interface thermal resistance was observed, which significantly decreased the heat transfer to the droplet. Increasing the size of the surface structure pushed the Leidenfrost point to higher surface temperatures. Current results contribute to various disciplines in engineering and applied sciences.

Devrim niteliğindeki birçok uygulamada sıvı davranışını belirlemek için nano ölçekte katı-sıvı etkileşimlerini anlamaya önemli bir ihtiyaç vardır. Spesifik olarak, nano ölçekli yüzey ıslanması, nano ölçekli sıvı taşınımı ve nano ölçekli ısı transferi, bilimsel ve endüstriyel uygulamalarda en çok aranan konular arasındadır. Bu tez, nano ölçekli yüzey yapılarını kullanarak ıslanma, sıvı akışı ve ısı transferinin karakterizasyonu ve olası kontrolüne odaklanmaktadır. İlk olarak, temas açısı histerezisini çözmek için nano yapılı bir yüzey üzerindeki ıslanma davranışı incelenmiştir. Damlacık, yüzey pürüzlerinden temas çizgisinin çivilenmesi (pinning) nedeniyle denge değerinden önemli ölçüde farklı bir temas açısı ile yarı kararlı bir durumda stabilize olduğu bulunmuştur. Damlacık sabitlendiğinde damlacık boyutunun artmasıyla temas açısının doğrusal olarak arttığı bulunmuştur. Ancak, yüzey yapı boyutu damlacık boyutuna kıyasla ihmal edilebilir hale geldiğinde bu çivilenme etkileri ihmal edilebilir hale gelir ve temas açısı karşılık gelen yüzeyin denge değerine ulaşır. İkinci olarak, akışkan taşınma davranışını belirlemek için nano yapılı nanokanallardaki sıvı akışı incelenmiştir. Pürüzsüz bir yüzey üzerindeki kayma sınır koşulu, ıslanma açısı ile ilişkiliyken, nano yapılı bir kanalda taşınma, ilgili yüzey yapısının ıslanma durumundan çoğunlukla bağımsız kalmıştır. Son olarak nano desenli yüzeyler üzerinde damlacık buharlaşması incelenmiştir. Damlacık sıcaklığı Leidenfrost noktasına ulaştığında, ara yüzey ısıl direncinde ani bir artış gözlemlenmiştir ve bu da damlacığın ısı transferini önemli ölçüde azaltmıştır. Yüzey yapısının boyutunun artması, Leidenfrost noktasını daha yüksek yüzey sıcaklıklarına itmektedir. Mevcut sonuçlar mühendislik ve uygulamalı bilimlerdeki çeşitli disiplinlere katkıda bulunmaktadır.