The effect of capillary forces on adhesion of biological and artificial attachment devices

Abstract

The presence of a liquid meniscus can cause far greater adhesion between a particle and a surface than occurs under dry conditions. Recent studies on biological attachment systems have highlighted the unique and important effect of liquid capillarity at the micro- and nanometer scale. The results demonstrate that macroscopic considerations of the classic meniscus theory must be modified to take into account new scaling laws and geometric relationships. A general description of wetting and capillary condensation as it applies to interfaces of small scales and to arbitrary substrates is clearly desirable but remains an unsolved challenge.

In this work, I have performed numerical simulations of wet adhesion under less restrictive conditions then has been done before. In particular, I calculated the capillary force as a function of the distance between two substrates for the general case of different properties and different geometries of the substrates. The results are in excellent agreement with analytical results and with measurements of the capillary force. They allow us to propose a novel, effective method to evaluate the contact angle hysteresis of a liquid bridge between arbitrary substrates. The numerical calculations also include the effect of contact splitting which has proven to be a powerful mechanism in many biological attachment systems that are based on dry adhesion. Our results show that this mechanism does in principle also apply to wet adhesion and that splitting of one large bridge into many smaller ones enhances the capillary forces for all possible contact angles. This results in new scaling laws of the capillary force as a function of the number of liquid bridges. They predict, for example, an unexpected maximal force for moderately hydrophilic surfaces (i.e. contact angles around 70 degrees) and a maximal force per contact area for cylindrical bridges. These novel scaling laws lead to a deeper basic understanding of wet adhesion and can also serve as an important guideline as to how artificial attachment devices can be engineered to have specific properties.

Eine flüssige Brücke kann zwischen einem Teilchen und einer Oberfläche eine weitaus größere Haftkraft vermitteln als dies in trockenem Zustand der Fall ist. Arbeiten über biologische Haftsysteme haben die wichtige Rolle dieser Kapillarkraft in Mikro- und Nanometer großen Dimensionen hervorgehoben. Die Ergebnisse machen deutlich, dass das makroskopische Bild der klassischen Theorie flüssiger Menisci modifiziert werden muss und neue Skalierungsgesetze sowie Geometrieeffekte einschließen muss. Eine allgemeine Beschreibung von Benetzungsphänomenen und Kapillarität, die auch in kleinen Dimensionen und für beliebige Substratoberflächen Gültigkeit hat, ist zwar sehr wünschenswert aber noch nicht realisierbar.

In der vorliegenden Arbeit präsentiere ich numerische Simulationen der Haftung basierend auf Kapillarität für allgemeinere Bedingungen als dies bisher getan worden ist. Dazu gehört, dass die Kapillarkraft als Funktion des Abstandes zwischen zwei Substraten für den allgemeinen Fall berechnet wurde, dass die Substrate unterschiedliche Eigenschaften und unterschiedliche Geometrien besitzen. Die Resultate stimmen hervorragend mit analytischen Ergebnissen überein und mit Messungen der Kapillarkraft. Sie gestatten uns, eine neue, effektive Methode vorzuschlagen, um die Hysterese der Kontaktwinkel einer flüssigen Brücke zwischen beliebigen Substraten zu bestimmen. In den Simulationen wird auch das Phänomen des Aufspaltens eines Kontaktes (contact splitting) in mehrere untersucht, das als wichtiger Haftmechanismus in vielen trockenen biologischen Systemen identifiziert worden ist. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dieser Mechanismus prinzipiell auch in kapillargestützter Haftung auftritt und dass die Aufspaltung einer flüssigen Brücke in mehrere kleinere zu einer Erhöhung der Kapillarkraft für alle möglichen Kontaktwinkel führt. Daraus resultieren neue Skalierungsgesetzte der Kapillarkraft als Funktion der Anzahl der flüssigen Menisci. Sie sagen z.B. voraus, dass die Kraft ein unerwartetes Maximum für schwach hydrophile Substrate (d.h. Kontaktwinkel ungefähr 70°) aufweist und die Kraft pro Kontaktfläche maximal ist für zylindrische Brücken. Diese neuen Skalierungsgesetze führen zu einem tieferen Verständnis der Haftung basierend auf kapillaren Effekten, und sie können auch als Grundlage benutzt werden, um künstliche Haftsysteme so zu konstruieren, dass sie bestimmte Eigenschaften besitzen.