Die Benetzung gemusterter Oberflächen durch Tropfen ist in der Natur allgegenwärtig. Beispielsweise wird sie vom Stenocara Wüstenkäfer in der Namib Wüste genutzt, um Feuchtigkeit aus der Luft zu sammeln. Aber auch in Ingenieuranwendungen wie der Wassergewinnung, oder dem Tintenstrahldruck spielt sie eine wichtige Rolle. Des Weiteren ist der Transport von Tropfen über Substrate durch das Aufbringen von Benetzungsmustern möglich. Dieser kann auch mittels elektrostatischer Felder realisiert werden. Hierbei können Fluidstrukturen auftreten, die beispielsweise beim Elektrospinnen relevant sind.

In der vorliegenden Arbeit wird zunächst die Stabilität von Wassertropfen auf chemisch strukturierten Oberflächen, die aus abwechselnden hydrophilen und hydrophoben Streifen bestehen, experimentell, numerisch und basierend auf einem Skalierungsmodell untersucht. Die Grenze zwischen den Kontaktwinkelkontrasten, also der Differenz der Kontaktwinkel zwischen den hydrophilen und den hydrophoben Streifen, bei denen die Tropfen intakt (stabil) bleiben, und denen, die zum Aufbrechen der Tropfen führen (instabil), wird mit Surface Evolver, einem numerischen Tool zur Minimierung der Oberflächenenergie, berechnet. Die so ermittelte Stabilitätsgrenze zwischen instabilem und stabilem Regime wird experimentell bestätigt. Innerhalb des instabilen Regimes wird eine Tropfenform identifiziert, bei der eine Kapillarbrücke auf dem hydrophoben Streifen zwei auf den angrenzenden hydrophilen Streifen befindlichen Flüssigkeitsfinger verbindet. Bei durch Verdunstung abnehmendem Volumen nimmt die Breite dieser Kapillarbrücke ab, bis sie einen kritischen Wert erreicht, bei dem die Brücke instabil wird. Es wird ein einfaches Skalierungsmodell präsentiert, mit dem die kritische Breite vorhergesagt werden kann. Gemäß dem Modell wird ein Tropfen instabil, wenn der zunehmende Laplace-Druck innerhalb der Brücke nicht mehr durch den Druck innerhalb der Flüssigkeitsfinger auf den hydrophilen Streifen ausgeglichen werden kann. Dies wird durch einen Vergleich mit Experimenten und numerischen Berechnungen verifiziert.

Die Dynamik des im instabilen Bereich auf dem hydrophoben Streifen beobachteten Aufbruchs der Kapillarbrücke wird experimentell und numerisch untersucht. Durch Betrachten der Aufbruchgeschwindigkeit über der zugehörigen minimalen Kapillarbrückenbreite kann die Unsicherheit durch die Wahl des exakten Aufbruchzeitpunktes eliminiert werden. Die Simulation basiert auf der Volume-of-Fluid (VOF) Methode. Eine physikalisch realistische Anfangsbedingung für die VOF-Simulation wird mit Surface Evolver berechnet. Es zeigt sich, dass der Aufbruch der Kapillarbrücke nicht durch ein eindeutiges Skalierungsgesetz charakterisiert werden kann. Die Form der Brücke unterliegt qualitativen Änderungen und in verschiedenen Phasen des Aufbruchprozesses finden sich unterschiedliche Skalierungsexponenten. In der letzten Phase des Aufbruchs bildet die Kapillarbrücke einen flüssigen Faden, dessen Aufbruch mit der Rayleigh-Plateau Instabilität konsistent ist.

Experimentelle Untersuchungen zu Surface Taylor Cones (STCs) auf hydrophilen Substraten mit niedriger Kontaktwinkelhysterese werden präsentiert. STCs sind Strukturen analog zu klassischen Taylor-Cones, die sich entwickeln, wenn ein Bereich einer Flüssigkeitsoberfläche einem starken elektrischen Feld ausgesetzt wird. Im vorliegenden Fall befindet sich dieser an der Dreiphasenkontaktlinie. Die durch das elektrische Feld resultierende Kraft ist parallel zur Oberfläche gerichtet. Im Vergleich zum Tropfen ohne elektischem Feld ist der Kontaktwinkel aufgrund der Maxwell Spannung zu Beginn des Experiments verringert, während die Tropfenform an sich unberührt erscheint. Im weiteren Verlauf bildet sich unter fortschreitender Abnahme des Kontaktwinkels eine Flüssigkeitszunge, die sich zu einer kegelförmigen Struktur mit zunehmend ausgeprägter Spitze entwickelt. Schließlich bricht die Flüssigkeitsoberfläche zusammen und es tritt von der Spitze des Kegels ein Jet aus, der auf die Elektrode gerichtet ist. Dieser Vorgang findet nur auf hydrophilen Substraten mit geringer Kontaktwinkelhysterese statt. Der STC wird charakterisiert und mit dem Taylor-Cone, sowie einer dem STC ähnlichen Tropfenform verglichen, die auf der entnetzenden Seite gleitender Tropfen auf einer schiefen Ebene beobachtet werden kann.