This study focuses on fabrication of dry adhesives mimicking gecko adhesion. We also look into the origin of the supreme adhesion of geckos, which have inspired the fabrication of fibrillar dry adhesives during the last decade or so. In principle, the superior material properties of ??-keratin (the main material comprising the fibrillar feature on gecko toe pads) along with the hierarchical high aspect-ratio fibrillar structure of geckos??? foot pad have enabled geckos to stick readily and rapidly to almost any surface in both dry and wet conditions. In this research, non-sticky fluoropolymer (Teflon AF) resembling ??-keratin rigidity and having an extremely low surface energy and dielectric constant was applied to fabricate a novel dry adhesive consisting of extremely high aspect-ratio nanopillars (200 nm in diameter) terminated with a fluffy top nanolayer. Both the nanopillars and the terminating layer were fabricated concurrently by replica-molding using a nanoporous anodic aluminum oxide membrane as the mold. In particular, upon infiltration of Teflon AF melt into the anodic aluminum oxide nanopores, the polymer melt fingered over the pore walls. The fingerlike structure formed during infiltration, subsequently collapsed after removal of the mold, developing a unique sheet-like nanostructure on top of the base nanopillars. Concurrent fabrication of the terminating nanostructure helps the fabrication of extremely high aspect-ratio (27.5???225) nanopillars which, up to an aspect-ratio of 185, neither collapse at the tip nor bundle. In order to fabricate nanopillars of different topographical properties, in our first approach, the height of the nanopillars as well as the size and density of the terminating nanostructure are carefully controlled by adjusting the processing temperature. Following that, a novel replica-molding technique for fabrication of bi-level Teflon AF nanopillars is reported. The developed technique relies on the concurrent heating and cooling of the Teflon AF melt which filled vertically-aligned alumina nanochannels. Unlike conventional polymer infiltration methods which consist of filling the mold by only heating the polymer above its glass transition temperature, in our novel method, the polymer melt is also simultaneously cooled down during the infiltration process. Concurrent cooling of the Teflon AF melt allows control over the interfacial instabilities of the polymer thin film, which forms ahead of the polymer melt upon its infiltration into the alumina nanochannels. Doing so, the geometrical properties of the subsequently developed peculiar fluffy nanostructure ??? after removal of the mold ??? on top of the extremely high aspect-ratio Teflon AF nanopillars (~25 ??m tall) are modified. In this project, we have also shown that the adhesion of the fabricated dry adhesives for the most part arises from electrostatic interactions of the applied polymer. In other words, Teflon AF, having an exceptional potential for developing electric charges at its surface upon contact with other materials via the so-called contact electrification phenomenon, can develop significant electrostatic interactions at its surface upon contact. In the current thesis, tribological results were discussed in detail to clarify the contribution of the structural properties of the fabricated dry adhesives toward their remarkable adhesion and friction forces generated via contact electrification. Nanopillars of specific geometrical properties have achieved remarkable adhesion and friction strengths, up to ~2.1 N/cm2 and 17 N/cm2, respectively (up to ~2.1 and 1.7 times larger than those of a gecko toe pad). It is commonly accepted that the adhesive performance of other synthetic bio-inspired dry adhesives is due to the formation of van der Waals interactions at the tip or side of the dry adhesives fibrils with the substrate they are brought into contact with. However, what has been usually neglected in this connection is that electrostatic interactions may also be developed at the contact between any two materials via the familiar contact electrification phenomenon. Although contact electrification is common and can have a large influence on interfacial interaction forces, its impact on adhesive properties of synthetic dry adhesives has been overlooked. Our results on adhesion of bi-level Teflon AF nanopillars, which can generate strong adhesion forces relying on electrostatic interactions arising from contact electrification, have brought to light again the idea that charging the surface of dry adhesives, specifically polymeric ones, can play a very crucial role in their adhesive behavior. From this perspective, the main reasons that have caused this lack of attention to this concept and the possible contributions of contact electrification to interfacial interactions of polymeric dry adhesives, other than bi-level Teflon AF nanopillars, are also thoroughly discussed in this thesis. Besides synthetic fibrillar dry adhesives, the possibility of the occurrence of contact electrification and its contribution to the supreme dry adhesion of geckos have also been overlooked for several decades. In this research, by the simultaneous measurement of electric charges and adhesion forces that gecko toe pads develop on two distinct substrates (a sticky and a non-sticky one), we have shown that the toe pads generate significantly large amounts of electric charge on both substrates. More importantly, we have found that there is a direct correlation between the contact electrification-driven electrostatic forces and the measured adhesion forces. Otherwise stated, we have shown that what makes the difference that geckos stick strongly to one surface and not to the other are the electrostatic interactions arising from contact electrification, and not van der Waals interactions, which have been considered as the prime source of adhesion of geckos for many years.

In verfahrenstechnischen Anlagen der Flüssig-Flüssig-Stoffübertragung kommt es an der Phasengrenze zwischen den nicht mischbaren Flüssigphasen häufig zur Ausbildung hydrodynamischer Instabilitäten. Sie sind mit komplexen Geschwindigkeitsfeldern in den Flüssigphasen, insbesondere in den grenzschichtnahen Regionen verbunden und führen zu einem starken Anstieg der pro Zeiteinheit übertragenen Stoffmenge. Die Lösung der Diffusionsgleichung reicht in diesem Fall zur Vorausberechnung des für Auslegungszwecke bedeutsamen Stoffdurchgangskoeffizienten nicht mehr aus. Chemische Reaktionen stellen Quellen oder Senken von Wärme und Stoff dar, die das Auftreten von Instabilitäten begünstigen und die mathematische Beschreibung zusätzlich erschweren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle und numerische Untersuchungen zum Flüssig-Flüssig-Stoffübergang in einem vertikalen Kapillarspalt durchgeführt. Reaktionsfreie Stoffübergänge und solche mit einer exothermen chemischen Reaktion an der Phasengrenze zeigten eine große Vielfalt von Konvektionsstrukturen, wie Rollzellen, Thermiken und das doppeldiffusive Fingerregime. Die Visualisierung der Transportvorgänge erfolgte durch das Schattenschlierenverfahren. Die Beobachtungen wurden hinsichtlich geometrischer Eigenschaften von Konvektionsstrukturen sowie deren zeitlicher Änderung ausgewertet. Dazu zählten insbesondere das Längenwachstum von Thermiken und horizontale Wellenlängen von Fingerstrukturen. Zur mathematischen Beschreibung der Phänomene im Kapillarspalt wurde ein Modell entwickelt, welches auf den gekoppelten, zweidimensionalen Transportgleichungen von Impuls, Wärme und Stoff beruht. Es berücksichtigt dichte- und grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitätsmechanismen sowie die besonderen Durchströmungseigenschaften des Kapillarspalts. Die Phasengrenze wurde als eben angenommen. Die Lösung der Modellgleichungen erfolgt auf numerischem Wege durch ein Computerprogramm. Das Modell ist in der Lage, die beobachteten Instabilitätsphänomene qualitativ richtig wiederzugeben. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnte der Mechanismus aufgeklärt werden, der zum schnelleren Rückgang des Stoffdurchgangskoeffizienten im Rollzellenregime der rein grenzflächenspannungsgetrieben Instabilität im Vergleich zum Vorgang mit überlagerter Dichtekonvektion führt. Des Weiteren gelang der Nachweis des doppeldiffusiven Fingerregimes beim Stoffübergang mit exothermer Grenzflächenreaktion. Die berechnete Erhöhung des Stoffdurchgangskoeffizienten stimmt mit Angaben in experimentellen Arbeiten anderer Autoren überein.

La méthode de Boltzmann sur réseau est une formulation discrète particulière de l'équation de Boltzmann. Depuis ses débuts, il y a trente ans, cette méthode a gagné une certaine popularité, et elle est maintenant utilisée dans presque tous les problèmes habituellement rencontrés en mécanique des fluides notamment pour les écoulements multi-espèces. Dans le cadre de ce travail, une force de friction intermoléculaire est introduite pour modéliser les interactions entre les molécules de différent types causant principalement la diffusion entre les espèces. Les phénomènes de dissipation visqueuse (collision usuelle) et de diffusion moléculaire (force de friction intermoléculaire) sont séparés et peuvent être ajuster indépendamment. Le principal avantage de cette stratégie est sa compatibilité avec des optimisations de la collision usuelle et les opérateurs de collision avancés. Adapter un code mono-espèce pour aboutir à un code multi-espèces est aisé et demande beaucoup moins d’effort comparé aux précédentes tentatives. De plus, il n’ y a pas d’approximation du mélange, chaque espèce a ses propres coefficients de transport pouvant être calculés à l’aide de la théorie cinétique des gaz. En général, la diffusion et la convection sont vus comme deux mécanismes séparés : l’un agissant sur la masse d’une espèce, l’autre sur la quantité de mouvement du mélange. En utilisant une force de friction intermoléculaire, la diffusion et la convection sont couplés par l’intermédiaire la quantité de mouvement de chaque espèce. Les mécanismes de diffusion et de convection sont intimement liés dans de nombreux phénomènes physique tel que la digitation visqueuse.L’instabilité de digitation visqueuse est simulée en considérant dans un milieu poreux deux espèces dans des proportions différentes soit un mélange moins visqueux déplaçant un mélange plus visqueux. Les principaux moteurs de l’instabilité sont la diffusion et le contraste de viscosité entre les espèces. Deux stratégies sont envisagées pour simuler les effets d’un milieu poreux. Les méthodes de rebond partiel et de force de Brinkman bien que basées sur des approches fondamentalement différentes donnent dans notre cas des résultats identiques. Les taux de croissance de l’instabilité calculés à partir de la simulation coïncident avec ceux obtenus à partir d’analyses de stabilité linéaire. L’évolution de la longueur de mélange peut être divisée en deux étapes dominées d’abord par la diffusion puis par la convection. La physique de la digitation visqueuse est ainsi correctement simulée. Toutefois, les effets de diffusion multi-espèces ne sont généralement pas pris en compte lors de la digitation visqueuse de trois espèces et plus. Ces derniers ne sont pas négligeable puisque nous mettons en avant une configuration initialement stable qui se déstabilise. La diffusion inverse entraîne la digitation dont l’impact dépend de la diffusion entre les espèces. / The lattice Boltzmann method (LBM) is a specific discrete formulation of the Boltzmann equation. Since its first premises, thirty years ago, this method has gained some popularity and is now applied to almost all standard problems encountered in fluid mechanics including multi-component flows. In this work, we introduce the inter-molecular friction forces to take into account the interaction between molecules of different kinds resulting primarily in diffusion between components. Viscous dissipation (standard collision) and molecular diffusion (inter-molecular friction forces) phenomena are split, and both can be tuned distinctively. The main advantage of this strategy is optimizations of the collision and advanced collision operators are readily compatible. Adapting an existing code from single component to multiple miscible components is straightforward and required much less effort than the large modifications needed from previously available lattice Boltzmann models. Besides, there is no mixture approximation: each species has its own transport coefficients, which can be calculated from the kinetic theory of gases. In general, diffusion and convection are dealt with two separate mechanisms: one acting respectively on the species mass and the other acting on the mixture momentum. By employing an inter-molecular friction force, the diffusion and convection are coupled through the species momentum. Diffusion and convection mechanisms are closely related in several physical phenomena such as in the viscous fingering instability.A simulation of the viscous fingering instability is achieved by considering two species in different proportions in a porous medium: a less viscous mixture displacing a more viscous mixture. The core ingredients of the instability are the diffusion and the viscosity contrast between the components. Two strategies are investigated to mimic the effects of the porous medium. The gray lattice Boltzmann and Brinkman force models, although based on fundamentally different approaches, give in our case equivalent results. For early times, comparisons with linear stability analyses agree well with the growth rate calculated from the simulations. For intermediate times, the evolution of the mixing length can be divided into two stages dominated first by diffusion then by convection, as found in the literature. The whole physics of the viscous fingering is thus accurately simulated. Nevertheless, multi-component diffusion effects are usually not taken into account in the case of viscous fingering with three and more species. These effects are non-negligible as we showcase an initial stable configuration that becomes unstable. The reverse diffusion induces fingering whose impact depends on the diffusion between species.

In verfahrenstechnischen Anlagen der Flüssig-Flüssig-Stoffübertragung kommt es an der Phasengrenze zwischen den nicht mischbaren Flüssigphasen häufig zur Ausbildung hydrodynamischer Instabilitäten. Sie sind mit komplexen Geschwindigkeitsfeldern in den Flüssigphasen, insbesondere in den grenzschichtnahen Regionen verbunden und führen zu einem starken Anstieg der pro Zeiteinheit übertragenen Stoffmenge. Die Lösung der Diffusionsgleichung reicht in diesem Fall zur Vorausberechnung des für Auslegungszwecke bedeutsamen Stoffdurchgangskoeffizienten nicht mehr aus. Chemische Reaktionen stellen Quellen oder Senken von Wärme und Stoff dar, die das Auftreten von Instabilitäten begünstigen und die mathematische Beschreibung zusätzlich erschweren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle und numerische Untersuchungen zum Flüssig-Flüssig-Stoffübergang in einem vertikalen Kapillarspalt durchgeführt. Reaktionsfreie Stoffübergänge und solche mit einer exothermen chemischen Reaktion an der Phasengrenze zeigten eine große Vielfalt von Konvektionsstrukturen, wie Rollzellen, Thermiken und das doppeldiffusive Fingerregime. Die Visualisierung der Transportvorgänge erfolgte durch das Schattenschlierenverfahren. Die Beobachtungen wurden hinsichtlich geometrischer Eigenschaften von Konvektionsstrukturen sowie deren zeitlicher Änderung ausgewertet. Dazu zählten insbesondere das Längenwachstum von Thermiken und horizontale Wellenlängen von Fingerstrukturen. Zur mathematischen Beschreibung der Phänomene im Kapillarspalt wurde ein Modell entwickelt, welches auf den gekoppelten, zweidimensionalen Transportgleichungen von Impuls, Wärme und Stoff beruht. Es berücksichtigt dichte- und grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitätsmechanismen sowie die besonderen Durchströmungseigenschaften des Kapillarspalts. Die Phasengrenze wurde als eben angenommen. Die Lösung der Modellgleichungen erfolgt auf numerischem Wege durch ein Computerprogramm. Das Modell ist in der Lage, die beobachteten Instabilitätsphänomene qualitativ richtig wiederzugeben. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnte der Mechanismus aufgeklärt werden, der zum schnelleren Rückgang des Stoffdurchgangskoeffizienten im Rollzellenregime der rein grenzflächenspannungsgetrieben Instabilität im Vergleich zum Vorgang mit überlagerter Dichtekonvektion führt. Des Weiteren gelang der Nachweis des doppeldiffusiven Fingerregimes beim Stoffübergang mit exothermer Grenzflächenreaktion. Die berechnete Erhöhung des Stoffdurchgangskoeffizienten stimmt mit Angaben in experimentellen Arbeiten anderer Autoren überein.