@phdthesis{Knauf2020,
  author    = {Knauf, Jan},
  title     = {Synthesis of highly fluorinated precursors and their deposition conditions for self-assembled monolayers with defined small-scale surface structures as templates for the manipulation of wetting behavior},
  doi       = {10.25932/publishup-47380},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473804},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {X, 204},
  year      = {2020},
  abstract  = {"How Wenzel and Cassie were wrong" - this was the eye-catching title of an article published by Lichao Gao and Thomas McCarthy in 2007, in which fundamental interpretations of wetting behavior were put into question. The authors initiated a discussion on a subject, which had been generally accepted a long time ago and they showed that wetting phenomena were not as fully understood as imagined. Similarly, this thesis tries to put a focus on certain aspects of liquid wetting, which so far have been widely neglected in terms of interpretation and experimental proof. While the effect of surface roughness on the macroscopically observed wetting behavior is commonly and reliably interpreted according to the well-known models of Wenzel and Cassie/Baxter, the size-scale of the structures responsible for the surface's rough texture has not been of further interest. Analogously, the limits of these models have not been described and exploited. Thus, the question arises, what will happen when the size of surface structures is reduced to the size of the contacting liquid molecules itself? Are common methods still valid or can deviations from macroscopic behavior be observed? This thesis wants to create a starting point regarding these questions. In order to investigate the effect of smallest-scale surface structures on liquid wetting, a suitable model system is developed by means of self-assembled monolayer (SAM) formation from (fluoro)organic thiols of differing lengths of the alkyl chain. Surface topographies are created which rely on size differences of several {\AA}ngstr{\"o}ms and exhibit surprising wetting behavior depending on the choice of the individual precursor system. Thus, contact angles are experimentally detected, which deviate considerably from theoretical calculations based on Wenzel and Cassie/Baxter models and confirm that sub-nm surface topographies affect wetting. Moreover, experimentally determined wetting properties are found to correlate well to an assumed scale-dependent surface tension of the contacting liquid. This behavior has already been described for scattering experiments taking into account capillary waves on the liquid surface induced by temperature and had been predicted earlier by theoretical calculations. However, the investigation of model surfaces requires the provision of suitable precursor molecules, which are not commercially available and opens up a door to the exotic chemistry of fluoro-organic materials. During the course of this work, the synthesis of long-chain precursors is examined with a particular focus put on oligomerically pure semi-fluorinated n-alkyl thiols and n-alkyl trichlorosilanes. For this, general protocols for the syntheses of the desired compounds are developed and product mixtures are assayed to be separated into fractions of individual chain lengths by fluorous-phase high-performance liquid chromatography (F-HPLC). The transition from model systems to technically more relevant surfaces and applications is initiated through the deposition of SAMs from long-chain fluorinated n-alkyl trichlorosilanes. Depositions are accomplished by a vapor-phase deposition process conducted on a pilot-scale set-up, which enables the exact control of relevant process parameters. Thus, the influence of varying deposition conditions on the properties of the final coating is examined and analyzed for the most important parameters. The strongest effect is observed for the partial pressure of reactive water vapor, which directly controls the extent of precursor hydrolysis during the deposition process. Experimental results propose that the formation of ordered monolayers rely on the amount of hydrolyzed silanol species present in the deposition system irrespective of the exact grade of hydrolysis. However, at increased amounts of species which are able to form cross-linked molecules due to condensation reactions, films deteriorate in quality. This effect is assumed to be caused by the introduction of defects within the film and the adsorption of cross linked agglomerates. Deposition conditions are also investigated for chain extended precursor species and reveal distinct differences caused by chain elongation.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kuhnert2009,
  author    = {Kuhnert, Matthias},
  title     = {Quantifizierung von Oberfl{\"a}chenabfluss und Erosion auf B{\"o}den mit hydrophoben Eigenschaften},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-32871},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2009},
  abstract  = {Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung hydrophober Bodeneigenschaften und deren Auswirkungen auf Oberfl{\"a}chenabfluss und Erosion auf verschiedenen Skalen. Die dazu durchgef{\"u}hrten Untersuchungen fanden auf einer Rekultivierungsfl{\"a}che im Braunkohlegebiet Welzow S{\"u}d (S{\"u}dostdeutschland) statt. Die Prozesse wurden auf drei Skalen untersucht, die von der Plotskala (1m²) {\"u}ber die Hangskala (300m²) bis zur Betrachtung eines kleinen Einzugsgebietes (4ha) reichen. Der Grad der hydrophoben Bodeneigenschaften wurde sowohl direkt, {\"u}ber die Bestimmung des Kontaktwinkel, als auch indirekt, {\"u}ber die Bestimmung der Persistenz, ermittelt. Dabei zeigte sich, dass der Boden im Winterhalbjahr hydrophil reagierte, w{\"a}hrend er im Sommerhalbjahr hydrophobe Bodeneigenschaften aufwies. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ansteigende Bodenwassergehalte, die in der Literatur h{\"a}ufig als Ursache f{\"u}r einen Wechsel der Bodeneigenschaften angegeben werden, auf dieser Fl{\"a}che nicht zu einem Umbruch der Bodenbedingungen f{\"u}hren. Stattdessen kam es als Folge des Auftauens von gefrorenem Boden zu hydrophilen Bodeneigenschaften, die zu einem Anstieg des Bodenwassergehalts f{\"u}hrten. R{\"a}umliche Unterschiede zeigten sich in den geomorphologischen Einheiten. Rinnen und Rillen wiesen seltener hydrophobe Eigenschaften als die Zwischenrillenbereiche und Kuppen auf. Diese r{\"a}umlichen und zeitlichen Variabilit{\"a}ten wirkten sich auch auf den Oberfl{\"a}chenabfluss aus, der als Abflussbeiwert (ABW: Quotient aus Abfluss und Niederschlag) untersucht wurde. Der ABW liegt auf B{\"o}den mit hydrophoben Bodeneigenschaften (ABW=0,8) deutlich h{\"o}her als bei jenen mit hydrophilen Eigenschaften(ABW=0,2), wie sie im Winter oder auf anderem Substrat vorzufinden sind (diese Werte beziehen sich auf die Plotskala). Betrachtet man die Auswirkungen auf unterschiedlichen Skalen, nimmt der Abflussbeiwert mit zunehmender Fl{\"a}chengr{\"o}ße ab (ABW = 0,8 auf der Plotskala, ABW = 0,5 auf der Hangskala und ABW = 0,2 im gesamten Gebiet), was in den hydrophil reagierenden Rillen und Rinnen auf der Hangskala und dem hydrophilen Substrat im Einzugsgebiet begr{\"u}ndet ist. Zur Messung der Erosion wurden verschiedene, zum Teil neu entwickelte Methoden eingesetzt, um eine hohe zeitliche und r{\"a}umliche Aufl{\"o}sung zu erreichen. Bei einer neu entwickelten Methode wird der Sedimentaustrag ereignisbezogen {\"u}ber eine Waage bestimmt. In Kombination mit einer Kippwaage erm{\"o}glicht sie die gleichzeitige Messung des Oberfl{\"a}chenabflusses. Die Messapparatur wurde f{\"u}r Gebiete entwickelt, die eine {\"u}berwiegend grobsandige Textur aufweisen und nur geringe Mengen Ton und Schluff enthalten. Zus{\"a}tzlich wurden zwei Lasersysteme zur Messung der r{\"a}umlichen Verteilung der Erosion eingesetzt. F{\"u}r die erste Methode wurde ein punktuell messender Laser in einer fest installierten Apparatur {\"u}ber die Fl{\"a}che bewegt und punktuell H{\"o}henunterschiede in einem festen Raster bestimmt. Durch Interpolation konnten Bereiche mit Sedimentabtrag von Akkumulationsbereiche unterschieden werden. Mit dieser Methode k{\"o}nnen auch gr{\"o}ßere Fl{\"a}chen vermessen werden (hier 16 m²), allerdings weisen die Messungen in den {\"U}bergangsbereichen von Rinne zu Zwischenrille große Fehler auf. Bei der zweiten Methode wird mit einer Messung ein Quadratmeter mit einer hohen r{\"a}umlichen Aufl{\"o}sung komplett erfasst. Um ein dreidimensionales Bild zu erstellen, m{\"u}ssen insgesamt vier Aufnahmen von jeweils unterschiedlichen Seiten aufgenommen werden. So lassen sich Abtrag und Akkumulation sehr genau bestimmen, allerdings ist die Messung relativ aufwendig und erfasst nur eine kleine Fl{\"a}che. Zus{\"a}tzlich wurde der Sedimentaustrag noch auf der Plotskala erfasst. Die Messungen zeigen, korrespondierend zu den Bodeneigenschaften, große Sedimentaustr{\"a}ge w{\"a}hrend des Sommerhalbjahrs und kaum Austr{\"a}ge im Winter. Weiterhin belegen die Ergebnisse eine gr{\"o}ßere Bedeutung der Rillenerosion gegen{\"u}ber der Zwischenrillenerosion f{\"u}r Niederschlagsereignisse hoher Intensit{\"a}t (>25 mm/h in einem zehnmin{\"u}tigem Intervall). Im Gegensatz dazu dominierte die Zwischenrillenerosion bei Ereignissen geringerer Intensit{\"a}t (<20 mm/h in einem zehnmin{\"u}tigem Intervall), wobei mindestens 9 mm Niederschlag in einer Intensit{\"a}t von mindesten 3,6 mm/h n{\"o}tig sind, damit es zur Erosion kommt. Basierend auf den gemessenen Abfl{\"u}ssen und Sedimentaustr{\"a}gen wurden Regressiongleichungen abgeleitet, die eine Berechnung dieser beiden Prozesse f{\"u}r die untersuchte Fl{\"a}che erm{\"o}glichen. W{\"a}hrend die Menge an Oberfl{\"a}chenabfluss einen starken Zusammenhang zu der Menge an gefallenem Niederschlag zeigt (r² = 0,9), ist die Berechnung des ausgetragenen Sedimentes eher ungenau (r² = 0,7). Zusammenfassend beschreibt die Arbeit Einfl{\"u}sse hydrophober Bodeneigenschaften auf verschiedenen Skalen und arbeitet die Auswirkungen, die vor allem auf der kleinen Skala von großer Bedeutung sind, heraus.},
  language  = {de}
}