Investigating wetting characteristics on microstructured surfaces for superhydrophobicity and metal microcasting

The engineering of liquid behavior on surfaces is important for infrastructure, transportation, manufacturing, and sensing. Surfaces can be rendered superhydrophobic by microstructuring, and superhydrophobic devices could lead to practical corrosion inhibition, self-cleaning, fluid flow control, and surface drag reduction. To more fully understand how liquid interacts with microstructured surfaces, this dissertation introduces a direct method for determining droplet solid-liquid-vapor interfacial geometry on microstructured surfaces. The technique performs metrology on molten metal droplets deposited onto microstructured surfaces and then frozen. Unlike other techniques, this visualization technique can be used on large areas of curved and opaque microstructured surfaces to determine contact line. This dissertation also presents measurements and models for how curvature and flexing of microstructured polymers affects hydrophobicity. Increasing curvature of microstructured surfaces leads to decreased slide angle for liquid droplets suspended on the surface asperities. For a surface with regularly spaced asperities, as curvature becomes more positive, droplets suspended on the tops of asperities are suspended on fewer asperities. Curvature affects superhydrophobicity because microscopic curvature changes solid-liquid interaction, pitch is altered, and curvature changes the shape of the three phase contact line. This dissertation presents a model of droplet interactions with curved microstructured surfaces that can be used to design microstructure geometries that maintain the suspension of a droplet when curved surfaces are covered with microstructured polymers. Controlling droplet dynamics could improve microfluidic devices and the shedding of liquids from expensive equipment, preventing corrosion and detrimental performance. This dissertation demonstrates redirection of dynamic droplet spray with anisotropic microstructures. Superhydrophobic microstructured surfaces can be economically fabricated using metal embossing masters, so this dissertation describes casting-based microfabrication of metal microstructures and nanostructures. Low melting temperature metal was cast into flexible silicone molds which were themselves cast from microfabricated silicon templates. The flexibility of the silicone mold permits casting of curved surfaces, which this dissertation demonstrates by fabricating a cylindrical metal roller with microstructures. The metal microstructures can be in turn used as a reusable molding tool. This dissertation also describes an industrial investment casting process to produce aluminum molds having integrated microstructures. Unlike conventional micromolding tools, the aluminum mold was large and had complex curved surfaces. The aluminum was cast into curved microstructured ceramic molds which were themselves cast from curved microstructured rubber. Many structures were successfully cast into the aluminum with excellent replication fidelity, including circular, square, and triangular holes. This dissertation demonstrates molding of large, curved surfaces having surface microstructures using the aluminum mold. This work contributes a more full understanding of the phenomenon of superhydrophobicity and techniques for the economic fabrication of superhydrophobic microstructures.

Micro/nano-structured superhydrophobic surfaces in the biomedical field: part I: basic concepts and biomimetic approaches.

Inspired by natural structures, great attention has been devoted to the study and development of surfaces with extreme wettable properties. The meticulous study of natural systems revealed that the micro/nano-topography of the surface is critical to obtaining unique wettability features, including superhydrophobicity. However, the surface chemistry also has an important role in such surface characteristics. As the interaction of biomaterials with the biological milieu occurs at the surface of the materials, it is expected that synthetic substrates with extreme and controllable wettability ranging from superhydrophilic to superhydrophobic regimes could bring about the possibility of new investigations of cellâ material interactions on nonconventional surfaces and the development of alternative devices with biomedical utility. This first part of the review will describe in detail how proteins and cells interact with micro/nano-structured surfaces exhibiting extreme wettabilities.

Core-shell particles and their application for superhydrophobic surfaces

During the last years great effort has been devoted to the fabrication of superhydrophobic surfaces because of their self-cleaning properties. A water drop on a superhydrophobic surface rolls off even at inclinations of only a few degrees while taking up contaminants encountered on its way. rnSuperhydrophobic, self-cleaning coatings are desirable for convenient and cost-effective maintenance of a variety of surfaces. Ideally, such coatings should be easy to make and apply, mechanically resistant, and long-term stable. None of the existing methods have yet mastered the challenge of meeting all of these criteria.rnSuperhydrophobicity is associated with surface roughness. The lotus leave, with its dual scale roughness, is one of the most efficient examples of superhydrophobic surface. This thesis work proposes a novel technique to prepare superhydrophobic surfaces that introduces the two length scale roughness by growing silica particles (~100 nm in diameter) onto micrometer-sized polystyrene particles using the well-established Stöber synthesis. Mechanical resistance is conferred to the resulting “raspberries” by the synthesis of a thin silica shell on their surface. Besides of being easy to make and handle, these particles offer the possibility for improving suitability or technical applications: since they disperse in water, multi-layers can be prepared on substrates by simple drop casting even on surfaces with grooves and slots. The solution of the main problem – stabilizing the multilayer – also lies in the design of the particles: the shells – although mechanically stable – are porous enough to allow for leakage of polystyrene from the core. Under tetrahydrofuran vapor polystyrene bridges form between the particles that render the multilayer-film stable. rnMulti-layers are good candidate to design surfaces whose roughness is preserved after scratch. If the top-most layer is removed, the roughness can still be ensured by the underlying layer.rnAfter hydrophobization by chemical vapor deposition (CVD) of a semi-fluorinated silane, the surfaces are superhydrophobic with a tilting angle of a few degrees. rnrnrn

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

Wetting of Graphene

Graphene, a remarkable 2D material, has attracted immense attention for its unique physical properties that make it ideal for a myriad of applications from electronics to biology. Fundamental to many such applications is the interaction of graphene with water, necessitating an understanding of wetting of graphene. Here, molecular dynamics simulations have been employed to understand two fundamental issues of water drop wetting on graphene: (a) the dynamics of graphene wetting and (b) wetting of graphene nanostructures. The first problem unravels that the wetting dynamics of nanodrops on graphene are exactly the same as on standard, non-2D (or non-layered) solids – this is an extremely important finding given the significant difference in the wetting statics of graphene with respect to standard solids stemming from graphene’s wetting translucency effect. This same effect, as shown in the second problem, interplays with roughness introduced by nanostructures to trigger graphene superhydrophobicity following a hitherto unknown route.