![Page 1: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/1.jpg)
Υπερυγρόφοβες επιφάνειες
Περικλής Παπαδόπουλος
1
![Page 2: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/2.jpg)
Βιομιμητικά υλικά
• Φαινόμενο φύλλου λωτού
– σχεδόν σφαιρικές σταγόνες
• Ελαιόφοβα κελύφη εντόμων
– springtail, κολλέμβολα
• Ολισθηρές επιφάνειες σαρκοβόρων φυτών
– Νηπενθές
2By Anand2202, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=49813424
![Page 3: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/3.jpg)
Αέρας κάτω από σταγόνες
Bhushan B. et al., Phil. Trans. R. Soc. A (2009) 367, 1631
Koch K., Barthlott W. Phil. Trans. R. Soc. A (2009) 367, 1487-15093
• Υδρόφοβο φύλλο λωτού
• Μικρές προεξοχές, φυτικό κερί
![Page 4: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/4.jpg)
Σκοπός της έρευνας
• Σταθεροποίηση της υγροφοβικότητας έναντι– διείσδυσης λόγω πίεσης– συμπύκνωσης ατμών– μηχανικής καταστροφής
• Εξέλιξη επιφανειών που είναι αποτελεσματικές και σε υγρά πολύ χαμηλής επιφανειακής τάσηςγ < 20 mN/m– δεν υπάρχει φυσική επιφάνεια
• Εφαρμογές: αυτοκαθαριζόμενες, αντιπαγωτικές &αντιβακτηριδιακές επιστρώσεις,μείωση αντίστασης ροής σε σωλήνες, μεμβράνες ανταλλαγής αερίων
4
![Page 5: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/5.jpg)
Μεγάλη υστέρηση
Τουλάχιστον μετασταθής
πάντα σταθερή για λάδια
Μεγάλη γωνία συνεπαφής
Μικρή υστέρηση
Έυκολη απομάκρυνση
Συνήθως μετασταθής ή ασταθής
Δύο ανταγωνιστικέςκαταστάσεις διαβροχής
Wenzel 1936Cassie & Baxter 1944
5
![Page 6: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/6.jpg)
Γωνία συνεπαφής (λεία επιφάνεια)
• Χαρακτηρίζει τις ιδιότητες της επιφάνειας
• Ισορροπία στη γραμμή συνεπαφής 3 φάσεων
• Εξίσωση Young:
• Η γωνία εξηγεί όλη τη θερμοδυναμική;
6
Θ0
0cosL S SL = −
L
SSL
![Page 7: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/7.jpg)
Γωνιόμετρο
• Γωνία συνεπαφής, υστέρηση
• Επιφανειακής τάσης
7
![Page 8: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/8.jpg)
Μακροσκοπική γωνία συνεπαφής
1 mm
Cassie Wenzel
προϊούσα
οπισθοχωρούσα
165°
102°
152°
75°
8
![Page 9: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/9.jpg)
Έρευνα: μοντέλα
• Προεξοχές από κατακόρυφους στύλους
• Μικρή επιφάνεια επαφής υγρού – στερεού
• Χημική επεξεργασία επιφάνειας
– φθοριωμένα ολιγομερή / πολυμερή
– αλκυλομάδες
– σιλικόνες
9
![Page 10: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/10.jpg)
Καθορισμένη τραχύτητα
• Φωτολιθογραφία
• Μεταβαλλόμενη γεωμετρία
200 µm
25
µm
25
µm
40 µm
10Συνεργασία: Gabriele Schäfer, Max Planck Institute for Polymer Research, Mainz, Germany
![Page 11: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/11.jpg)
Συνεστιακή μικροσκοπία
• Τρισδιάστατη δομή
– Ανακλάσεις από διεπιφάνειες
– Φθορισμός από βαφές σε νερό και στερεό
Ανάλυση
500 nm
200 nm
νερό
στύλοι
11
Συνεργάτις: Σοφία Μπέλλου, ΙΒΕΙ
![Page 12: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/12.jpg)
Διεπιφάνεια νερού – αέρα
• Καμπύλη
• Πόσο σταθερή είναι η κατάσταση Cassie;
Στύλοι, νερό, ανάκλαση
z × 4
hmin
90 water
air
200 µm
12
![Page 13: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/13.jpg)
Βέλτιστη δομή
• Για μεγάλη γωνία συνεπαφήςμικρό κλάσμα στερεού
• Για μεγάλη κρίσιμη πίεσημεγάλο
• Και τα δύο ταυτόχρονα: νανοδομές
13
2 2a d
2a d
H.-J. Butt, D. Vollmer, and P. Papadopoulos,Adv. Colloid Interf. Sci. 222, 104–109 (2015).
N. Tretyakov, P. Papadopoulos, D. Vollmer, H.-J. Butt, B. Dünweg, and K. C. Daoulas,J. Chem. Phys. 145, 134703 (2016).
a
d
![Page 14: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/14.jpg)
Έυκαμπτες προεξοχές
• Αλλαγή σχήματος προεξοχών
• Βελτιώνεται η σταθερότητα και η γωνία συνεπαφής
14
-2 -1 0
0
5
10
15
20
z (
µm
)
x (µm)
rimunder
the drop
![Page 15: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/15.jpg)
Υπερυγρόφοβες επιφάνειες
• Πρόβλημα: σε κάθε λεία επιφάνειαγια κάθε «έλαιο»
• Υπάρχουν όμως ελαιόφοβαέντομα
15
90
90
Helbig, R.; Nickerl, J.; Neinhuis, C.; Werner, C. PLoS ONE 2011, 6, e25105.
![Page 16: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/16.jpg)
Νανοσωματίδια
16
θ
Λιγότερο σταθερή CassieΕύκολη κατασκευή
• Π.χ. αιθάλη, ή fumed silica
– μπορεί να γίνει υδρόφοβο με φθοριωμένα πολυμερή
![Page 17: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/17.jpg)
Νερό• Μικροσκοπία συμβολής
– confocal με άλλες ρυθμίσεις
– ανάστροφο μικροσκόπιο
• Βάθος διείσδυσης υγρού με ανάλυση nm
250 µm
17P. Papadopoulos, D. Vollmer, H.-J. Butt, Phys. Rev. Lett. 117, 046102 (2016)
![Page 18: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/18.jpg)
Μακροπρόθεσμη σταθερότητα
• Βάθος που αντιστοιχεί σε αρκετά νανοσωματίδια
100 101 102 103 104 105
0.0
0.2
0.4
0.6
δεκάνιο
depth
(µm
)z
t (s) 18
![Page 19: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/19.jpg)
Γιατί δεν είναι σταθερή η κατάσταση Cassie;
• Το ενεργειακό φράγμα είναι της τάξεως ~ 100 kBT
• Ανάλογο του μεγέθους των προεξοχών
19
![Page 20: Περικλής Παπαδόπολος...2020/10/13 · Περικλής Παπαδόπολος 1 Βιομιμηικά λικά •Φαινόμενο φύλλο λωού –σχεδόν](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022071505/612634ca1e5a9857cf7722ea/html5/thumbnails/20.jpg)
Συμπεράσματα
• Οι υπερυγρόφοβες επιφάνειες χρειάζονται «κρεμαστές» προεξοχές
• Νανοδομές για μεγάλη κρίσιμη πίεση
• Ανοιχτά ερωτήματα
– Διαφορετικές ιδιότητες διαβροχής σε κλίμακα nm;
– Ποιες είναι οι μικρότερες χρήσιμες διαστάσεις;
– Πώς μπορεί να βελτιωθεί η μακροπρόθεσμη σταθερότητα;
20