Formación de estructuras bidimensionales mediante flujos de recubrimiento inestables

Abstract

En esta tesis se analizan los procesos de ruptura de filamentos en diversas geometrías que conducen a la formación de patrones de gotas regulares sobre sustratos planos rígidos. Dos estructuras geométricas bidimensionales se han considerado: (1) grillas resultantes de cruces de filamentos rectos tanto a escalas milimétricas como nanométricas y (2) anillos líquidos de dimensiones milimétricas. Estas rupturas se observan cuando los líquidos mojan parcialmente los sustratos sólidos. A nivel milimétrico se han usado vidrios recubiertos con EGC–1700 y aceites de PDMS (Polidimetilsiloxano) de 62 y 90 poise. Los problemas nanométricos corresponden a filamentos de níquel en estado líquido sobre un sustrato de ́oxido de silicio (SiO2). La dinámica de las rupturas es afectada por las interacciones líquido sólido que determinan los ́ángulos de contacto en las líneas triples así como los estados de equilibrio. Es importante distinguir en estos estudios entre los ángulos de contacto estáticos y los dinámicos teniendo en cuenta la histéresis de estos ángulos debido a que las rupturas implican la presencia simultánea de procesos de retracción y derrame en diferentes direcciones. Para ello, se usarán modelos teóricos y simulaciones numéricas que se contrastarán con experimentos detallados de la evolución de estas rupturas. Los modelos teóricos presentan una mejora sobre anteriores trabajos que presumían varias rupturas equiespaciadas y simultáneas a partir de modelos lineales sin bordes de filamentos rectos. Los modelos que presentaremos en la tesis tienen en cuenta que los experimentos de patrones regulares son el producto de una secuencia en cascada de rupturas y no de un proceso simultáneo.Las experimentos a escalas milimétricas permiten un estudio temporal muy detallado de la formación del patrón de gotas ya que conlleva escalas temporales relativamente lentas del orden de algunos minutos debido a que se han usado aceites de PDMS de alta viscosidad. En la configuración de grilla rectangular milimétrica, se uso un sistema experimental novedoso que, mediante la captura simultánea de varios chorros líquidos, construye una estructura de cuadrícula que evoluciona a una serie de filamentos cortos. En el proceso de segmentación del la grilla se generan dos tipos de estructuras, a saber: (i) gotas en los vértices donde los filamentos se cruzan y (ii) una serie de filamentos cortos idénticos en los lados de la grilla. Estos filamentos cortos se rompen en una serie de gotas muy similares entre sí. Las gotas en los nodos son estudiadas por primera vez y difieren de las producidas en los filamentos laterales. Estos filamentos, al seridénticos en cada lado y evolucionar en simultáneo, permiten mejorar el análisis de la repetitividad experimental del proceso.La comparación de varios modelos teóricos y simulaciones con los datos experimentales nos permitió identificar los principales factores físicos que determinan los procesos de ruptura tanto a escala milimétrica como nanométrica. Los modelos nos permiten determinar a priori el número y características de las gotas resultantes de la ruptura de filamentos de longitud finita en función de la razón de aspecto inicial entre su longitud y su ancho.En los experimentos nanométricos, se generan grillas metálicas sólidas de níquel mediante técnicas nanolitográficas las que son fundidas por irradiación láser. Durante el pulso del orden de 20 ns de duración, el metal en estado líquidos de moja el sustrato de SiO2 de forma análoga al PDMS sobre el EGC–1700. El proceso es tan rápido que no es posible seguir con tanto detalle su evolución como en las experiencias milimétricas. Los experimentos provistos por nuestros colaboradores del Center of Nanophase Ma-terials Science en ORNL, EE.UU., nos permiten ver algunos estados intermedios, pero no una secuencia detallada como en los experimentos hechos en la UNCPBA. Por ello, resulta relevante la comprensión adquirida de los fenómenos que afectan la ruptura en un tipo de experimento para modelar los otros. Aprovechando que la nanolitografıanos permite conocer detalladamente el volumen inicial del problema, se desarrollo un modelo adicional que combinan la conservación del volumen y la dinámica para predecir los rangos de razones de aspecto de los lados de la grilla que determinan el número de gotas. Se compararon con una enorme número de filamentos (entre cincuenta y cuatrocientos filamentos simultáneos) y se comprobó la validez de estas predicciones experimentalmente.Con el objetivo de estudiar qué sucede cuando los efectos de borde son despreciables,se desarrolló una técnica experimental simple para generar anillos líquidos. Se pudo analizar tres tipos principales de comportamiento: (i) colapso simétrico, (ii) colapso asimétrico y (iii) rupturas tipo cascada semejantes a las observadas en los filamentos líquidos rectos. Esta geometría resulta interesante porque los anillos son filamentos finitos que carecen de bordes, pero cuya estructura bidimensional se ve afectada por los diferentes radios de curvatura en la linea de contacto exterior respecto a la interior. Para su estudio, se comparan las evoluciones de las amplitudes de los modos Fourier espaciales obtenidas experimentalmente con las resultantes de simulaciones numéricas que tiene en cuenta la situación inicial experimental.