Morphology changes in the evolution of liquid two-layer films

We consider two thin layers of immiscible liquids on a heated solid horizontal substrate. The free liquid-liquid and liquid-gas interfaces of such a two-layer (or bilayer) liquid film may be unstable due to effective molecular interactions or the Marangoni effect. Using a long wave approximation we derive coupled evolution equations for the interafce profiles for a general non-isothermal situation allowing for slip at the substrate. Linear and nonlinear analyses are performed for isothermal ultrathin layers below 100 nm thickness under the influence of destabilizing long-range and stabilizing short-range interactions. Flat films may be unstable to varicose, zigzag or mixed modes. During the long-time evolution the nonlinear mode type can change via switching between two different branches of stable stationary solutions or via coarsening along a single such branch.Comment: 14 eps figures and 1 tex fil

Alternative pathways of dewetting for a thin two-layer film of soft matter

We consider two stacked ultra-thin layers of different liquids on a solid substrate. Using long-wave theory, we derive coupled evolution equations for the free liquid-liquid and liquid-gas interfaces. Linear and non-linear analyses show that depending on the long-range van-der-Waals forces and the ratio of the layer thicknesses, the system follows different pathways of dewetting. The instability may be driven by varicose or zigzag modes and leads to film rupture either at the liquid-gas interface or at the substrate

Konvektionsinstabilitäten und raumzeitliche Strukturbildung in Zweischicht-Systemen

In dieser Arbeit wird das Verhalten zweier nichtmischbarer überlagerter Fluide (Gase und/oder Flüssigkeiten) untersucht, welche durch horizontale Platten vertikal beschränkt sind. Die betrachteten Effekte beschränken sich im Wesentlichen auf den Einfluss von Gravitations- und Oberflächenspannungseffekten. Dabei werden neben analytischen hauptsächlich numerische Untersuchungen über das Instabilitätsverhalten der Grenzfläche und die resultierende Strukturbildung durchgeführt. Ausgangspunkt sind die inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen, die Wärmeleitgleichungen und die Kontiniuitätsgleichungen beider Fluidschichten. Die Komplexität dieser Gleichungen erfordert bestimmte Näherungen und deshalb werden zwei Grenzfälle untersucht. Als erste Näherung wird eine undeformierbare Grenzfläche angesetzt. In dieser Näherung wird zum einen die, nur in Mehrschichtsystemen auftretende, Antikonvektion untersucht. Neben analytischen Resultaten in vertikal unendlich ausgedehnten Systemen, werden zum ersten Mal 3D-Simulationen der vollen nichtlinearen Gleichungen gezeigt. Zum anderen wird ein einfaches einseitiges Modell zur Konvektion unter Verdampfung abgeleitet, welches eine Erweiterung des "Pearson"-Modells darstellt, und die resultierende Strukturbildung gezeigt. Eine deformierbare Grenzfläche bei ausschließlicher Untersuchung von langwelligen Instabilitäten führt zur zweiten Näherung: die Schmiermittelnäherung. Nach der Herleitung der Evolutionsgleichung der Grenzfläche werden ihre grundlegenden Eigenschaften diskutiert. Die numerische Integration zeigt die typische Tropfen/Loch-Bildung dieser Systeme.This work deals with two-layer systems of immiscible fluids (gas and/or liquid) bounded by horizontal plates. We consider mainly the effects of gravitation and surface-tension and focus on numerical investigations of interface instabilities and pattern formation. Starting with the incompressible Navier-Stokes equations, energy equation and continuity equation for both layers two approximations are investigated. The first approximation deals with an undeformable interface. Here we investigate anticonvection which occurs only in multi-layer systems. Beside analytical results in vertically infinitely extended systems 3D-simulations of the fully nonlinear equations are shown for the very first time. Furthermore we derive a one-sided model for convection incorporating evaporation at the interface. This model is an extension of the well-known Pearson'-model and we show the resulting patterns under evaporation. The second approximation deals with deformable interfaces in thin layers. This so-called lubrication approximation allows exclusively long-wave instabilities. Here we derive an evolution equation for the interface and discuss its general properties. Finally, numerical investigations reveal the typical drop/hole structures