Design of micro- and nano-structured surfaces with tunable wettability
Authors: Χαμάκος Νικόλαος 
Published: September 2021

Η συνεισφορά της παρούσας διδακτορικής διατριβής στην υπάρχουσα επιστημονική γνώση είναι η ανάπτυξη μίας νέας μεθοδολογίας, συνεχούς μέσου, για τη μοντελοποίηση φαινομένων διαβροχής σε σύνθετες (τραχιές ή χημικά ετερογενείς) στερεές επιφάνειες, βασιζόμενη στη θεώρηση της διεπιφάνειας μηδενικού πάχους (sharp-interface). Αυτή η προσέγγιση είναι εξαιρετικά σημαντική για τον σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση της τραχύτητας στερεών επιφανειών με επιθυμητή και πλήρως ελεγχόμενη διαβρεκτικότητα. Αντίστοιχες μικρο- και νανο-δομημένες επιφάνειες συναντώνται σε πολλά φυσικά συστήματα, προσδίδοντας τους αξιοζήλευτες διαβρεκτικές ιδιότητες. Τέτοια παραδείγματα είναι το φύλλο του λωτού (Nelumbo nucifera) που έχει τη δυνατότητα αυτοκαθαρισμού με το νερό της βροχής, το σκαθάρι της ερήμου (Stenocara gracilipes) που συλλέγει πόσιμο νερό αξιοποιώντας την πρωινή ομίχλη και το φτερό της πεταλούδας Morpho aega, το οποίο καλύπτεται με κεκλιμένες, ασύμμετρες, μικρο-δομές που ευνοούν την αποβολή της υγρασίας και συνεπώς ενισχύουν την πτητική της ικανότητα. Ο σχεδιασμός τεχνητών μικρο- και νανο-δομημένων επιφανειών, με πρότυπο τις φυσικές μορφολογίες, είναι πολύ σημαντικός σε επίπεδο τεχνολογικών εφαρμογών όπως, μεταξύ άλλων, για τη μείωση της αντίστασης τριβής του νερού στο κύτος πλοίων, για τη διαχείριση υγρών σε μικρο-συσκευές αναλύσεων (lab-on-a-chip) και για τη συλλογή πόσιμου νερού από τα σταγονίδια της ομίχλης σε περιοχές με λειψυδρία. Η υλοποίηση των παραπάνω εφαρμογών, ωστόσο, δεν έχει ακόμα πλήρως επιτευχθεί λόγω περιορισμών στις μεθόδους κατασκευής τεχνητών μικρο- και νανο-δομημένων επιφανειών, καθώς και λόγω των ανεπαρκών δυνατοτήτων για ακριβή μοντελοποίηση της συμπεριφοράς υγρών σε τέτοιες σύνθετες επιφάνειες (δεδομένου ότι μια τραχιά επιφάνεια μπορεί να φιλοξενήσει ένα μεγάλο πλήθος μετασταθών καταστάσεων διαβροχής). Η μέθοδος που προτείνεται σε αυτή τη διατριβή συμβάλλει ουσιαστικά στην αντιμετώπιση του τελευταίου περιορισμού, επιτρέποντας τη μοντελοποίηση τόσο της στατικής όσο και της δυναμικής διαβρεκτικότητας σε κάθε είδους ετερογενή επιφάνεια. Οι συμβατικές μεθοδολογίες μοντελοποίησης των φαινομένων διαβροχής αποδεικνύονται ως ανεπαρκή εργαλεία για τον σχεδιασμό της μικρο-δομής των παραπάνω επιφανειών καθώς: είτε αποτυγχάνουν να περιγράψουν επαρκώς την περίπλοκη συμπεριφορά μιας σταγόνας σε ένα τραχύ υπόστρωμα, ή έχουν απαγορευτικά μεγάλο υπολογιστικό κόστος για σταγόνες συνηθισμένου μεγέθους (ακτίνας μερικών χιλιοστών). Αφενός μεν, τα μοντέλα συνεχούς μέσου περιορίζονται λόγω της ανάγκης εφαρμογής συνοριακών συνθηκών σε πολλαπλές (άγνωστες σε αριθμό) γραμμές επαφής των τριών φάσεων (υγρού-στερεού-αέρα) της σταγόνας. Αφετέρου δε, τα μοντέλα μέσο- (lattice-Boltzmann) ή νάνο- (molecular dynamics) κλίμακας, που χρησιμοποιούνται συνήθως για τέτοιου είδους προβλήματα, ξεπερνούν τον παραπάνω περιορισμό, εντούτοις έχουν απαγορευτικά μεγάλες υπολογιστικές απαιτήσεις. Για να αντιμετωπιστούν τα παραπάνω προβλήματα, σε αυτή τη διδακτορική διατριβή προτείνεται μια νέα μεθοδολογία συνεχούς μέσου, στην οποία υιοθετείται μια ενιαία αντιμετώπιση (αποφεύγοντας τις συνοριακές συνθήκες στις γραμμές επαφής) για τις διεπιφάνειες υγρού-αέρα και υγρού-στερεού της σταγόνας. Επίσης, η διαβρεκτικότητα του στερεού, στην προτεινόμενη προσέγγιση, καθορίζεται πλέον από διαμοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ στερεής και υγρής φάσης. Με την παραπάνω θεώρηση, καθίσταται μη αναγκαία η εφαρμογή οποιασδήποτε συνοριακής συνθήκης στις γραμμές επαφής των τριών φάσεων, επιτρέποντας έτσι την προσομοίωση ολόκληρων σταγόνων (ακτίνας μερικών χιλιοστών) σε στερεές επιφάνειες με τραχύτητα. Η παραπάνω προσέγγιση μπορεί να εφαρμοστεί τόσο για υπολογισμούς ισορροπίας σταγόνων (επαναδιατυπώντας την εξίσωση Young-Laplace, η οποία διέπει την μηχανική ισορροπία της επιφάνειας της σταγόνας) όσο και για δυναμικές προσομοιώσεις (τροποποιώντας τις εξισώσεις ροής (Navier-Stokes) στο υδροδυναμικό μοντέλο). Η προτεινόμενη μεθοδολογία προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε αρχικά για την εύρεση πολλαπλών μετασταθών καταστάσεων ισορροπίας σταγόνων σε στερεές επιφάνειες με τραχύτητα. Επιπλέον, παρουσιάστηκε ο υπολογισμός των ενεργειακών φραγμάτων που διαχωρίζουν τις παραπάνω καταστάσεις ισορροπίας. Το ύψος των ενεργειακών φραγμάτων είναι εξαιρετικά σημαντικό για τον σχεδιασμό αυτοκαθαριζόμενων επιφανειών, με πρότυπο το φύλλο του λωτού. Παρατηρήθηκε επίσης, ότι τα αποτελέσματα της προτεινόμενης μεθόδου συμφωνούν με αντίστοιχα αποτελέσματα από υπολογισμούς μέσο-κλίμακας (lattice-Boltzmann), παρ' όλες τις θεμελιώδεις διαφορές στις δύο προσεγγίσεις. Στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε την προτεινόμενη μεθοδολογία για να μελετήσουμε συστήματα ηλεκτροδιαβροχής (electrowetting) (όπου το σχήμα της επιφάνειας της σταγόνας μεταβάλλεται με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου) σε περιπτώσεις όπου σταγόνες διαβρέχουν τραχιές διηλεκτρικές επιφάνειες. Επιπρόσθετα, βασιζόμενοι στις παραπάνω προσομοιώσεις συστημάτων ηλεκτροδιαβροχής, επαληθεύσαμε πειραματικά τον δυναμικό έλεγχο των διαβρεκτικών ιδιοτήτων μικρο-δομημένων επιφανειών. Η προτεινόμενη προσέγγιση εφαρμόστηκε επίσης με επιτυχία για τη μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς σταγόνων που προσκρούουν σε τραχιές επιφάνειες. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε ότι οι υπολογιστικές μας προβλέψεις συμφωνούν, με μεγάλη ακρίβεια, με αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις. Στη συνέχεια μελετήθηκε η μετακίνηση σταγόνων, υπό την επίδραση εξαναγκασμένων ταλαντώσεων, σε επιφάνειες με ασύμμετρη τραχύτητα, έχοντας ως πρότυπο τη μορφολογία του φτερού της πεταλούδας Morpho aega. Η συγκεκριμένη τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί για τη μεταφορά υγρών σε μικρο-συσκευές. Με τη μελέτη των παραπάνω προβλημάτων, αποδεικνύεται ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι ένα πολύτιμο εργαλείο για τον σχεδιασμό της μικρο-δομής επιφανειών με πλήρως ελεγχόμενη διαβρεκτικότητα, απαραίτητες σε τεχνολογικές εφαρμογές.