Search

Ο κλάδος της επιστήμης της διαβροχής επιφανειών εμφανίζει μια ιδιαίτερη άνθηση την τελευταία εικοσαετία. Η καλύτερη θεωρητική κατανόηση της διαβροχής επιφανειών σε διάφορους οργανισμούς με κύριο το φύλλο λωτού, έδωσε το έναυσμα για την κατασκευή υπερυγρόφοβων επιφανειών, οι οποίες εμφανίζουν εντυπωσιακές ιδιότητες (μικρές δυνάμεις προσκόλλησης, γωνίες υστέρησης και κύλισης σταγόνων) για εφαρμογές στην ιατρική, ηλεκτρονική, ναυσιπλοΐα, βιομηχανία και κυρίως στην καθημερινότητα μας. Οι ολισθηρές επιφάνειες (lubricant-infused surfaces, LIS), συνδυασμός επιφάνειας νανοδομών με κάποιου είδους υγρό ως λιπαντικό, διορθώνει πολλά ελαττώματα των υπερυγρόφοβων επιφανειών (χαμηλή κρίσιμη πίεση διείσδυσης, συμπύκνωση σταγόνων και πάγου στο εσωτερικό των δομών) καθιστώντας τες κατάλληλες κυρίως για εφαρμογές ως αντιπαγωτικές, αντιθαμβωτικές και αντιδιαβρωτικές επιφάνειες. Σταγόνες πάνω σε LIS εμφανίζουν ενισχυμένες ιδιότητες, όπως μικρές γωνίες κύλισης και ασθενείς δυνάμεις προσκόλλησης, με άλλα λόγια μεγάλη ευκινησία, μεγάλες κρίσιμες πιέσεις εισόδου, δεν επιτρέπουν την συμπύκνωση σταγόνων στο εσωτερικό των δομών των επιφανειών και είναι αυτοθεραπευόμενες. Η ευκινησία των σταγόνων οφείλεται στο ότι βρίσκονται είτε σε κατάσταση Cassie (θύλακες "λιπαντικού" κάτω από τη σταγόνα) είτε σε κατάσταση αιώρησης (καμία επαφή μεταξύ σταγόνας και στερεής επιφάνειας). Αντιθέτως όταν η σταγόνα βρίσκεται σε κατάσταση Wenzel (πλήρης επαφή με την στερεή επιφάνεια) εμφανίζει ισχυρές δυνάμεις προσκόλλησης και δεν κινείται εύκολα. Επομένως, σύμφωνα και με τα παραπάνω, η επιθυμητή κατάσταση είναι η Cassie έναντι της Wenzel, και για αυτό πολλές μελέτες έχουν γίνει για ρυθμιζόμενη μετάβαση μεταξύ των δύο αυτών καταστάσεων διαβροχής. Η ανεπιθύμητη μετάβαση από Wenzel σε Cassie, παρόλα αυτά, συμβαίνει εύκολα, καθώς η κατάσταση Wenzel είναι συνήθως η θερμοδυναμικά ευσταθής κατάσταση. Η παρούσα εργασία έχει ως σκοπό την διερεύνηση της δυνατότητας μετάβασης μεταξύ καταστάσεων Wenzel και Cassie, μέσω ενός νέου τρόπου ενεργοποίησης, ο οποίος είναι η έγχυση λιπαντικού σε μικροδομημένες υγρόφοβες επιφάνειες. Άλλοι τρόποι οι οποίοι έχουν δοκιμαστεί είναι: ηλεκτροδιαβροχή, μαγνητικά πεδία, βαθμίδες θερμοκρασίας και επιφάνειες μεταβαλλόμενης μορφολογίας. Μελέτες σε επιφάνειες με λιπαντικό έχουν διεξαχθεί σε μεγάλη έκταση, παρόλα αυτά, από όσο γνωρίζουμε, δεν είχε μελετηθεί-παρατηρηθεί μέχρι τώρα αυτός ο τρόπος μετάβασης. Το "κλειδί" για την μετάβαση από Wenzel σε Cassie είναι η αλλαγή της μικροσκοπικής γωνίας συνεπαφής των σταγόνων, η οποία οφείλεται στην μεταβολή του περιβάλλοντος της σταγόνας, από αέρα σε κάποιο άλλο υγρό το οποίο δρα ως "λιπαντικό". Επιπλέον, μελετήθηκε ο ρόλος της μορφολογίας των μικροδομημένων επιφανειών, της τραχύτητας και της επιφανειακής τάσης των υγρών λιπαντικού-σταγόνας στην πραγματοποίηση ή όχι της προαναφερθείσας μετάβασης. Οι εικόνες συμβολής ανακλώμενης δέσμης, οι οποίες πάρθηκαν από συνεστιακό μικροσκόπιο σάρωσης δέσμης λέιζερ (LSCM) (ιδιοκατασκευή), έδειξαν ότι η μετάβαση σταγόνων από την κατάσταση Wenzel προς την κατάσταση Cassie μέσω έγχυσης λιπαντικού, είναι εφικτή και ευνοείται σε επιφάνειες με μεγάλα ύψη προεξοχών και μικρών αποστάσεων μεταξύ τους. Τέλος, παρατηρήθηκε καλύτερη συμπεριφορά σταγόνων ως προς τη μετάβαση, σε επιφάνειες τριγωνικής διατομής σε σχέση με κυκλική ή τετραγωνική διατομή με παρόμοιο ύψος και λόγο επιφάνειας. The field of surface wetting science has seen a particular bloom in the last twenty years. The best theoretical understanding of the translucent surfaces in various organisms, with the lotus leaf as its protagonist, has given a rise to the construction of superhygrophobic, or liquid-repellent, surfaces, which exhibit impressive properties (small adhesion forces, small hysteresis and small roll-off angles) for application in medicine, marine, industry and especially in our daily lives. Slippery surfaces, a combination of nanostructured surface with some kind of liquid as a lubricant, corrects many defects of syperhygrophobic surfaces (low critical penetration pressure, condensation of drops and ice inside the structures) making them suitable particularly for applications as anti corrosion, anti-fogging and anti-icing surfaces. Drops on lubricant-infused surfaces – (LIS) show enhanced properties, such as small roll-off angles and weak adhesion forces, in other words great mobility, do not allow droplets to condense inside the surface structures and they are self-healing. The great mobility is because the drops are either in the Cassie state ("lubricant" cushions below the drop) or in the Floating state (no contact between the drop and the solid surface). In contrast, when the drop is in the Wenzel state (full contact with the solid surface) it exhibits strong adhesion forces and does not move easily. Therefore, according to the above, the desired state is the Cassie, and for this reason many studies have been done for an adjusted transition between these two wetting states. The unwanted transition from Cassie to Wenzel occurs easily, as the Wenzel state is usually the thermodynamically stable sate. The present work aims to investigate the possibility of switching between Wenzel and Cassie states, through a new method, which is the injection of lubricant into microstructured hygrophobic surfaces. Other works have been done using electrowetting, magnetic fields, temperature gradients and gradient surface roughness. Studies on lubricated surfaces have been carried out extensively, however, as far as we know, this mode of transition has not been studied-observed so far. The "key" to the transition from Wenzel to Cassie is the change of the microscopic contact angle of the drops, which is due to the change in the environment of the drop, from air to another liquid which acts as a "lubricant". In addition, the role of the morphology of microstructured surfaces, the roughness and the surface tension of the lubricant-drop liquids in the realization or not of the aforementioned transition was studied. Images taken from a homemade Laser Scanning Confocal Microscope in reflection mode (LSCM) showed that the transition of droplets from the Wenzel state to the Cassie state by lubricant injection is feasible and is favored on surfaces with large heights and short interpillar distances. Finally, surfaces with triangle-based pillars show better results than surfaces with square-based pillars or cylinders, with similar height and area fraction. 69 σ.