Jan Knauf

• "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"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 Ångströms 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.…
• "How Wenzel and Cassie were wrong" - so lautete der Aufsehen erregende Titel eines 2007 von Lichao Gao und Thomas McCarthy veröffentlichten Artikels, in dem grundlegende Beschreibungen des Benetzungsverhaltens von Flüssigkeiten in Frage gestellt wurden. Die Autoren leiteten damit eine Diskussion über ein bereits lange als allgemein anerkannt angesehenes Thema ein und sie zeigten, dass Benetzungsphänomene nicht so vollständig aufgeklärt waren, wie zuvor angenommen. In ähnlicher Weise versucht diese Arbeit, einen Schwerpunkt auf bestimmte Aspekte der Flüssigkeitsbenetzung zu legen, die bisher in Bezug auf die Interpretation und den experimentellen Nachweis weitgehend vernachlässigt wurden. Während der Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf das makroskopisch beobachtete Benetzungsverhalten nach den bekannten Modellen von Wenzel und Cassie/Baxter allgemein anerkannt ist, war die Größenordnung der Strukturen, die für die raue Textur der Oberfläche verantwortlich sind, nicht Gegenstand weiterer Betrachtungen. Analog dazu sind die Grenzen"How Wenzel and Cassie were wrong" - so lautete der Aufsehen erregende Titel eines 2007 von Lichao Gao und Thomas McCarthy veröffentlichten Artikels, in dem grundlegende Beschreibungen des Benetzungsverhaltens von Flüssigkeiten in Frage gestellt wurden. Die Autoren leiteten damit eine Diskussion über ein bereits lange als allgemein anerkannt angesehenes Thema ein und sie zeigten, dass Benetzungsphänomene nicht so vollständig aufgeklärt waren, wie zuvor angenommen. In ähnlicher Weise versucht diese Arbeit, einen Schwerpunkt auf bestimmte Aspekte der Flüssigkeitsbenetzung zu legen, die bisher in Bezug auf die Interpretation und den experimentellen Nachweis weitgehend vernachlässigt wurden. Während der Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf das makroskopisch beobachtete Benetzungsverhalten nach den bekannten Modellen von Wenzel und Cassie/Baxter allgemein anerkannt ist, war die Größenordnung der Strukturen, die für die raue Textur der Oberfläche verantwortlich sind, nicht Gegenstand weiterer Betrachtungen. Analog dazu sind die Grenzen dieser Modelle bislang nicht beschrieben und untersucht worden. Daher stellt sich die Frage, was passiert, wenn die Größe der Oberflächenstrukturen auf die Größe der benetzenden Flüssigkeitsmoleküle reduziert wird. Sind gängige Methoden und Modelle noch gültig oder können Abweichungen vom makroskopischen Verhalten beobachtet werden? Die vorliegende Arbeit will einen Ausgangspunkt zu diesen Fragen schaffen. Um den Einfluss kleinster Oberflächenstrukturen auf die Flüssigkeitsbenetzung zu untersuchen, wird hierbei ein geeignetes Modellsystem selbstassemblierender Monolagen (self-assembled monolayers, SAM) aus (fluor-)organischen Thiolen unterschiedlicher Alkylkettenlänge entwickelt. Es entstehen Oberflächen-topographien, die auf Größenunterschieden von einigen Ångström beruhen und in Abhängigkeit von der Wahl des einzelnen Präkursorsystems ein überraschendes Benetzungsverhalten zeigen. So werden Kontaktwinkel gemessen, die erheblich von theoretischen Berechnungen auf der Basis von Wenzel- und Cassie/Baxter-Modellen abweichen und die bestätigen, dass bereits Oberflächentopographien im sub-nm-Bereich die Benetzung beeinflussen. Darüber hinaus wird gezeigt, dass experimentell ermittelte Benetzungseigenschaften gut mit einer angenommenen skalenabhängigen Oberflächenspannung der Kontaktflüssigkeit korrelieren. Dieses Verhalten wurde bereits für Streuexperimente unter Berücksichtigung von temperaturinduzierten Kapillarwellen auf der Flüssigkeitsoberfläche beschrieben und war zuvor durch theoretische Berechnungen vorhergesagt worden. Die Untersuchung der Modelloberflächen erfordert jedoch die Bereitstellung geeigneter Vorläufermoleküle, die kommerziell nicht erhältlich sind und eine Tür zur Chemie der fluororganischen Materialien öffnen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese langkettiger Präursoren untersucht, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf oligomerenreine, semifluorierte n-Alkylthiole und n Alkyltrichlorsilane gelegt wird. Dazu werden allgemeine Protokolle für die Synthesen der gewünschten Verbindungen entwickelt und Produktmischungen untersucht, um sie mit Hilfe der Fluorphasen-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (F-HPLC) in Fraktionen einzelner Kettenlängen aufzutrennen. Der Übergang von Modellsystemen zu technisch relevanteren Oberflächen und Anwendungen wird durch die Abscheidung von SAMs aus langkettigen fluorierten n Alkyltrichlorsilanen eingeleitet. Die Beschichtung erfolgt durch eine chemische Dampfphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD), die die gezielte Steuerung und Kontrolle relevanter Prozessparameter ermöglicht. So wird der Einfluss unterschiedlicher Abscheidungsbedingungen auf die Eigenschaften der Beschichtung untersucht und für die wichtigsten Parameter analysiert. Die stärkste Wirkung wird für den Partialdruck des reaktiven Wasserdampfes beobachtet, der das Ausmaß der Hydrolyse der Präkursoren während des Abscheidungsprozesses direkt beeinflusst. Experimentelle Ergebnisse legen nahe, dass die Bildung geordneter Monolagen von der Menge der im Abscheidungssystem vorhandenen hydrolysierten Silanolspezies abhängt, unabhängig vom genauen Hydrolysegrad. Mit zunehmender Anzahl kondensierbarer Spezies, die in der Lage sind vernetzte Moleküle zu bilden, verschlechtern sich die Filme jedoch in ihrer Qualität. Es wird angenommen, dass dieser Effekt durch die Entstehung von Defekten innerhalb des Films und die Adsorption von vernetzten Agglomeraten verursacht wird. Die Abscheidebedingungen werden auch für kettenverlängerte Präkursoren untersucht.…