1 Einleitung und Motivation .................................. 7
2 Stand von Wissenschaft und Technik ......................... 9
2.1 Funktionsweise und Anwendungen der
Rasterkraftmikroskopie .................................... 10
2.1.1 Messen interpartikulärer Haftkräfte ................ 11
2.1.2 Topographie- und Phasenkontrastaufnahmen ........... 15
2.2 Benetzungsverhalten, Grenz- und Oberflächenenergien ....... 17
2.2.1 Zustandsgieichungen zwischen Ober- und
Grenzflächenenergien ............................... 19
2.2.2 Bestimmung der Ober- und Grenzflächenenergien
durch Kontaktwinkelmessung ......................... 24
2.2.2.1 Herleitung der young-Gleichung ................. 24
2.2.2.2 Auswertemethoden der Kontaktwinkelmessung ...... 27
2.2.3 Einfluss der Rauheit auf das Benetzungsverhalten ... 30
2.3 Interpartikuläre Wechselwirkungen ......................... 32
2.3.1 Van der Waals-Wechselwirkungen ..................... 33
2.3.1.1 Herleitung der van der Waals-Wechselwirkungen .. 33
2.3.1.2 Kombinationsregeln für die Hamaker-Konstante ... 38
2.3.1.3 Zusammenhang zwischen van der waals-
Wechselwirkungen und Oberflä-chenenergie ....... 40
2.3.1.4 Einfluss der Oberflächenrauheit ................ 41
2.3.1.5 Einfluss von Adsorptionsschichten .............. 43
2.3.2 Polare Wechselwirkungen ............................ 45
2.3.2.1 Mögliche Herkunft polarer Wechselwirkungen ..... 45
2.3.2.2 Berechnung polarer Wechselwirkungen ............ 46
2.3.2.3 Einfluss von Oberflächenrauheit und
Adsorptionsschichten ........................... 48
2.3.3 Kapillare Haftkräfte ............................... 49
2.3.3.1 Berechnung kapillarer Haftkräfte ............... 49
2.3.3.2 Übertragbarkeit der Modelle auf gasgefüllte
Menisken ....................................... 53
2.4 Nanobubbles ............................................... 53
2.4.1 Entstehung von Nanobubbles ......................... 55
2.4.2 Stabilität von Nanobubbles ......................... 56
3 Material und Methoden ..................................... 59
3.1 Beschreibung der Messmethoden ............................. 59
3.1.1 Durchführung der Kontaktwinkelbestimmung ........... 59
3.1.2 Durchführung der Rasterkraftmikroskopiemessungen ... 61
3.1.2.1 Ermittlung von Kraft-Abstands-Kurven ........... 61
3.1.2.2 Ermittlung von Topographie und
Phasenkontrastaufnahmen ........................ 62
3.2 Charakterisierung der genutzten Materialien ............... 63
3.2.1 Flüssigkeiten ...................................... 63
3.2.2 Feststoffe ......................................... 65
4 Auswertung und Diskussion der Ergebnisse .................. 67
4.1 Kontaktwinkelmessungen und Oberflächenenergiebestimmung ... 67
4.1.1 Ergebnisse und Bewertung der Kontaktwinkelmessung .. 67
4.1.2 Bestimmung der Oberflächenenergie der Feststoffe ... 72
4.1.3 Selektive Adsorption an der Grenzfläche ............ 76
4.2 Interpartikuläre Wechselwirkungen ......................... 80
4.2.1 Auswertung der Kraft-Abstands-Kurven ............... 80
4.2.2 Haftmechanismen und Haftkraftverteilungen .......... 82
4.2.2.1 Anteile und Wirkungen der verschiedenen
Haftmechanismen ................................ 82
4.2.2.2 Beschreibung der Haftkraft- und
Haftenergieverteilungen ........................ 85
4.2.3 Zusammenhang zwischen Benetzungseigenschaften und
Partikelwechselwirkungen ........................... 91
4.2.3.1 Partikelwechselwirkungen ohne Kapillareflekte .. 91
4.2.3.2 Partikelwechselwirkungen mit Kapillareffekt .... 97
4.3 Topographie- und Phasenkontrastaufnahmen ................. 100
4.3.1 Oberflächenrauheit der Substrate und
Partikel .......................................... 100
4.3.2 Phasenkontrastaufnahmen zum Nachweis von
Nanobubbles ....................................... 103
5 Modellierung ............................................. 107
5.1 Modellierung von Haftkraftverteilungen ................... 107
5.1.1 Modellentwicklung ................................. 107
5.1.2 Parameterstudie des Rauheitsmodells ............... 112
5.1.3 Ermittlung der benötigten Modellparameter ......... 116
5.1.4 Vergleich der modellierten und gemessenen
Verteilungen ...................................... 120
5.2 Modellierung von Kapillarkräften ......................... 123
5.2.1 Modellentwicklung ................................. 123
5.2.2 Parameterstudie zum Kapillarkraftmodell ........... 128
5.2.3 Vergleich gemessener und modellierter Kräfte ...... 141
6 Zusammenfassung und Ausblick ............................. 143
Abkürzungsverzeichnis ......................................... 147
Symbolverzeichnis ............................................. 149
Literaturverzeichnis .......................................... 153
Abbildungsverzeichnis ......................................... 173
Tabellenverzeichnis ........................................... 177
A Theoretische Betrachtungen ............................... 179
A.l Cantileverschwingung ..................................... 179
A.2 Herleitung der young-Gleicmmg ............................ 182
A.3 Herleitung der van der waals-Kraft ....................... 184
A.4 Statistik ................................................ 186
В Materialien .............................................. 193
B.l Stoffdaten der genutzten Flüssigkeiten ................... 193
B.2 Stoffdaten der benutzten Feststoffe ...................... 196
С Tabellen und Diagramme zur Auswertung .................... 199
C.l Kontaktwinkelmessungen und Oberflächenenergiebestimmung .. 199
C.2 Interpartikuläre Wechselwirkungen ........................ 202
C.3 Topographie- und Phasenkontrastaufnahmen ................. 214
D Zur Modellierung ......................................... 217
D.l Haftkraft Verteilungen ................................... 217
D.l.l Herleitung der Wechselwirkungen für raue
Oberflächen ....................................... 217
D.1.1.1 Van der Waals-Wechselwirkungen ................. 217
D.I.1.2 Polare Wechselwirkungen ........................ 219
D.1.2 Parameterstudie zu den Haftkraft- und
Wechselwirkungsenergiemodellen ..................... 221
D.2 Veränderliche Kontaktwinkcl .............................. 223
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