Ανάπτυξη Φωτοαποκρίσιμων Πολυμερικών Επιφανειών
Creators: name: Πετούση, Δέσποινα Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Φωτοαποκρίσιμες
Σπιροπυράνιο
Γωνία επαφής
Photoresponsive
Spiropyran
Contact angle

description: Οι άνθρωποι ανέκαθεν στρέφονταν στη φύση για να εμπνευστούν από αυτή με στόχο την επίλυση των προβλημάτων της καθημερινής ζωής. Η έμπνευση του ανθρώπου από εκείνη συνεπάγεται την εκμετάλλευση ιδεών και την ανάπτυξη καινοτόμων λειτουργικών υλικών βασισμένα στη λογική που επικρατεί στη φύση. Πρόσφατα ορισμένα ξεχωριστά βιολογικά φαινόμενα λαμβάνουν ιδιαίτερης προσοχής όπως το φαινόμενο του αυτοκαθαρισμού στο φύλλο του λωτού και τα φτερά της πάπιας, οι υπερυδρόφοβες επιφάνειες του ματιού του κουνουπιού, η μετακίνηση ορισμένων ειδών σαύρας και του χταποδιού με τη βοήθεια ποδιών υψηλής προσκόλλησης και ειδικών βεντουζών αλλά και η κίνηση ορισμένων εντόμων πάνω σε υγρή επιφάνεια. Όλα τα χαρακτηριστικά αυτά εμπνέουν τους επιστήμονες και μελετώντας τα μπορούν να εξαχθούν πολύ χρήσιμα συμπεράσματα για την επίδραση των νανοδομών σε ορισμένες ιδιοτητες όπως οι μηχανισμοί διαβροχής και οι δυνάμεις προσκόλλησης. Για παράδειγμα ορισμένα ανεπιθύμητα φυτά όπως το gorse (Ulex europeaus) που εμφανίστηκε στη Νέα Ζηλανδία αλλά και πολλά συνηθισμένα ζιζάνια αυλών έχουν κηρώδεις επιφάνειες στα φύλλα τους γεγονός που καθιστά ιδιαίτερα δύσκολη τη διαβροχή τους με διάφορα ζιζανιοκτόνα που έχουν βάση το νερό. Ωστόσο το υπερ-διαβρεκτικό υλικό τρισιλοξάνιο (trisiloxane) αναπτύχθηκε ιδιαίτερα λόγω της ικανότητάς του να διαβρέχει τέτοιες δύσκολες στη διαβροχή επιφάνειες και να βελτιώνει την αποδοτικότητα των ζιζανιοκτόνων. Το πιο γνωστό παράδειγμα υδρόφοβης αυτοκαθαριζόμενης επιφάνειας είναι το φύλλο του λωτού (Nelumbo Νucifera). Ηλεκτρονική Μικροσκοπία στην επιφάνεια του λωτού έδειξε ότι το φυτό αυτό παρουσιάζει μια εξαιρετική δομή. Η επιφάνειά του έχει μια ιεραρχική δομή με τραχύτητα σε δυο κλίμακες, μια της τάξης των 10μm και μια της τάξεως των 100nm. Πολλές μελέτες έχουν επιβεβαιώσει ότι ο συνδυασμός αυτός μικρο- και νανο- τραχύτητας αλλά και η χαμηλή επιφανειακή ενέργεια του υλικού (κήρος) έχουν ως συνέπεια το φαινόμενο του αυτοκαθαρισμού. Πρώτος ο Kao στα μέσα του 1990 παρουσίασε τεχνητές υπερυδρόφοβες επιφάνειες που βασίζονται στο φαινόμενο αυτό. Η διπλωματική αυτή εργασία στοχεύει στην παρουσίαση του τρόπου με τον οποίο έξυπνες επιφάνειες που βασίζονται στα φαινόμενα αυτά μπορούν να μεταβαίνουν από την υπερυδρόφοβη στην υπερυδρόφοβη κατάσταση και αντιστρόφως. Η ικανότητα ελέγχουν των ιδιοτήτων διαβροχής παρέχει πολλαπλές ευκαιρίες για πρακτικές εφαρμογές οι οποίες περιλαμβάνουν ελεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκων, αυτοκαθαριζόμενες επιφάνεις, και συσκευές μικροηλεκτρονικής ή μικροροής. Η διπλωματική αυτή εργασία εστίασε περισσότερο στις φωτοαποκρίσιμες επιφάνειες που βασίζονται στις φωτοχρωμικές ιδιότητες μορίων βασισμένων σε σπιροπυράνια τα οποία έπειτα από έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία υφίστανται ισομερισμό μέσα από ετεροκυκλική διάσπαση δακτυλίου και μετατρέπονται στα πολικά μεροκυάνια τα οποία έχουν μωβ χρώμα. Η ακτινοβόληση με ορατή ακτινοβολία μετατρέπει την ανοικτή μορφή του μεροκυανίου σε μη πολικό κλειστό άχρωμο ισομερές σπιροπυρανίου. Κατά την πειραματική μελέτη των επιφανειών αυτών εκτιμήθηκε η ικανότητά τους να υφίστανται μεταβολές στη γωνία επαφής αλλά επίσης καθορίστηκαν και οι παράγοντες που επηρεάζουν το μηχανισμό αυτό αλλά και πως μπορεί να βελτιωθεί η απόδοσή τους.
description: Humans have always looked to nature for inspiration to solve problems. Learning from Nature in materals science means taking ideas and developing novel functional materials based on these concepts. Recently some less complex, but nonetheless, special features in biology received intense attention, such as the selfcleaning effect of lotus leaves and duck feathers, the non-fogging, superhydrophobic compound eyes of mosquitoes, the locomotion of geckos and octopuses via highly adhesive feet and suckers and, lastly, the movement of some insects on liquid surgaces. All these features are suitable for bio-inspiration and, by studying them, humans can be taught a lot about the way nanostructures affect some properties such as the wetting mechanisms and adhesive forces. For example, some unwanted plants or weeds, like the gorse (Ulex europeaus) that was reported in New Zealand, have waxy surfaces on their leaves that makes particularly difficult their wetting with water-based herbicides. However, the super-wetting material trisiloxane was developed because of its unique ability to wet such difficult surfaces and improve the performance of the herbicides. The most common example of a superhydrophobic surface is the lotus leaf (Nelumbo Nucifera). Electrons Microscopy on its leaves has showed that this plant has a unique structure. They possess a dual-scale roughness one on the magnitude of 10μm and another of 100nm. Many studies in this field have shown that the combination of micro- and nano- roughness and the low surface energy of the waxed surface of this plant are responsible for the self-cleaning effect. First Kao et al. presented artificial superhydrophobic surfaces based on this effect in the mid 1990s. This dissertation aims to present how smart surfaces based on these phenomena can switch from the superhydrophobic to superhydrophilic state. The ability to control the wetting properties of a surface offers plenty of opportunities for practical applications that include drug delivery, self-cleaning, microelectronics and microfluidic devices to name a few. This dissertation focused mostly on the photoswitchable surfaces based on the photoresponsive properties of spiropyran-based molecules that, upon UV light exposure, undergo an isomerization process through a heterocyclic ring cleavage to the polar merocyanine (MC) form which is purple. Irradiation with visible light converts the MC open form into the colorless, nonpolar closed spiropyran (SP) isomer. Through the experimental study of these surfaces, one is able not only to demonstrate the ability of these surfaces to change their contact angle but also to study which factors affect this mechanism and how their performance can be improved.