Διεπιφανειακά φαινόμενα αλληλεπιδράσης ηλεκτρικών πεδίων και υγρών σε υπερυδρόφοβες επιφάνειες
Authors: Παπαγεωργίου Δημήτριος 
Published: September 2021

Στην παρούσα διατριβή έγινε ανάπτυξη και μελέτη υδρόφοβων και υπερ-υδρό/υγρόφοβων επιστρώσεων με σκοπό τη βελτίωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών διατάξεων του τύπου lab-on-a-chip, που αφορούν εν γένει στην αλληλεπίδραση μικροσταγόνων και τροποποιημένων επιφανειών (μεταβολή στην τραχύτητα και στη χημεία της επιφάνειας). Ειδικότερα μελετήθηκε η μετακίνηση μικροσταγόνων με την παρουσία ηλεκτρικού πεδίου.Η διατριβή περιέχει τρία μέρη σχετικά με τη τραχύτητα των επιστρώσεων που κατασκευάζονται και μελετώνται. Στο πρώτο μέρος γίνεται ανάπτυξη και μελέτη πρότυπης λείας επίστρωσης (σύνθετο υμένιο), στο δεύτερο, μελετώνται τραχείες υπερ-υδρό/υγρόφοβες επιστρώσεις, ενώ στο τρίτο μελετώνται περιπτώσεις συνδυασμού των δύο παραπάνω, όπου αναπτύσσεται το σύνθετο υμένιο ώστε να ακολουθεί την τραχεία τοπογραφία της επιφάνειας.Συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος μελετάται η αξιοπιστία λεπτών διηλεκτρικών με λεία υδρόφοβη επίστρωση που χρησιμοποιούνται σε συστήματα ηλεκτροδιαβροχής. Στην πλειονότητα των συστημάτων αυτών η δομή αποτελείται από ένα λεπτό κυρίως διηλεκτρικό στρώμα και μια υδρόφοβη επίστρωση, συνήθως Teflon®, μέσω επίστρωσης με περιστροφή. Για τη βελτίωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών τέτοιων υδρόφοβων διηλεκτρικών, πραγματοποιείται, με χημική απόθεση από ατμό, επίστρωση φθορανθρακικού υμενίου η οποία προηγείται της τελικής επίστρωσης με Teflon®. Η προκύπτουσα πολυστρωματική δομή παρουσιάζει αντοχή στην ηλεκτρόλυση σε υψηλές εφαρμοζόμενες τάσεις με συνακόλουθη διατήρηση των αρχικών διηλεκτρικών ιδιοτήτων, όπως αποδείχθηκε πειραματικά από μετρήσεις ρευμάτων διαρροής από το διηλεκτρικό, βελτιώνοντας συνολικά την αξιοπιστία των υδρόφοβων διηλεκτρικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διατάξεις ηλεκτροδιαβροχής.Στο δεύτερο μέρος, αναπτύσσεται και μελετάται υπερυγρόφοβη επίστρωση περιοδικής τραχύτητας. Οι υπερυγρόφοβες επιφάνειες, χαρακτηρίζονται από μεγάλη (>150°) γωνία επαφής και χαμηλή υστέρηση γωνίας επαφής, το οποίο σχετίζεται άμεσα με μειωμένη προσρόφηση στην επιφάνεια, ενζύμων και λοιπών μακρομορίων. Με τις υπερυγρόφοβες επιστρώσεις που κατασκευάστηκαν ικανοποιείται η απαίτηση περιορισμού της φυσικής προσρόφησης βιολογικού υλικού της σταγόνας στην επιφάνεια διατάξεων του τύπου surface microfluidics (μικρορευστονικές διατάξεις επιφανείας) και γίνεται επιτυχής διανομή μικροσταγόνων που περιείχαν TAQ-DNA πολυμεράση. Οι τραχείες υπερυγρόφοβες επιστρώσεις που κατασκευάστηκαν ευνοούν τη διαχείριση μικροσταγόνων (διανομή, μεταφορά, ανάμειξη, θερμικοί κύκλοι) που απαιτείται για την πραγματοποίηση βιοαναλύσεων, όπως η PCR, σε διατάξεις τέτοιου τύπου.Τέλος, στο τρίτο μέρος, μελετάται υπερυγρόφοβη επίστρωση τυχαίας τραχύτητας με νανοΰφανση με πλάσμα. Οι επιφάνειες αυτές έχουν εξαιρετικό ερευνητικό ενδιαφέρον γιατί μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές καινοτόμες τεχνολογικές εφαρμογές. Για το λόγο αυτό εξετάζεται η υδρο-/υγροφοβικότητα επιφανειών από PMMA που φέρουν ιεραρχικού τύπου τυχαία τραχύτητα έπειτα από εγχάραξη με πλάσμα οξυγόνου (νανοΰφανση) και απόθεση λεπτού στρώματος πλάσματος φθοράνθρακα. Προς επίτευξη ανθεκτικών επιφανειών, μελετώνται τόσο η δομική ευστάθεια της τραχύτητας (μεταβολή στην επιφανειακή μορφολογία υπό την επίδραση τριχοειδών δυνάμεων κατά τη διάρκεια διαδικασίας εμβάπτισης-στεγνώματος σε νερό) όσο και η επίδραση της πίεσης, του είδους του υγρού και του ηλεκτρικού πεδίου στις μεταβολές των καταστάσεων διαβροχής πάνω σε δομικά ευσταθείς επιφάνειες.Σε όλη την έκταση της διατριβής γίνεται συγκριτική μελέτη των παραπάνω υδρό-/υγρόφοβων επιστρώσεων με διαφορετικές πειραματικές μεθόδους μερικές από τις οποίες είναι χαρακτηριστικές καμπύλες γωνίας επαφής-επιβαλλόμενης τάσης, διαδοχικούς κύκλους ηλεκτροδιαβροχής, δοκιμασίες ηλεκτρικής αντοχής, παρατήρηση με οπτικό μικροσκόπιο, δοκιμασίες Νανο-χαραγής, μετρήσεις AFM και παρατήρηση με SEM, μετρήσεις γωνιών επαφής, μετρήσεις υστέρησης γωνίας επαφής, οπτική παρατήρηση της επιφάνειας με συμβατική CCD κάμερα, μετρήσεις γωνιών επαφής ύστερα από ηλεκτρική κόπωση κ.α. Στόχος είναι να αναδειχθεί η πλέον κατάλληλη επίστρωση που ευνοεί τόσο την αποτελεσματική διαχείριση μικροσταγόνων πάνω σε αυτές όσο και τον έλεγχο των καταστάσεων διαβροχής τους με απώτερο στόχο τη βελτίωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών διατάξεων του τύπου lab-on-a-chip.Προς αυτή την κατεύθυνση, μετά την κατασκευή και μελέτη των κατάλληλων επιστρώσεων που απεδείχθη ότι ευνοούν τη διαχείριση μικροσταγόνων χωρίς αλλά κυρίως με ηλεκτρικό πεδίο, μελετήθηκε ένας εναλλακτικός τρόπος με τον οποίο μπορεί να επιτευχθεί αποδοτική ρύθμιση των καταστάσεων διαβροχής τραχειών επιφανείων. Αποδείχθηκε ότι η τεχνική Laser Induced Forward Transfer μπορεί να αποτελέσει πολύτιμο εργαλείο για την κατανόηση της δυναμικής της πρόσκρουσης σταγόνων σε στερεές επιφάνειες, γεγονός με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για αρκετές τεχνολογικές εφαρμογές.