Dynamics of Magnetic Droplets on Liquid-Repellent Surfaces

Abstract

Ferrofluids are colloidal suspensions of superparamagnetic nanoparticles in a carrier liquid. The combination of liquid properties and a strong magnetic response makes ferrofluids versatile materials exhibiting fascinating phenomena. The main focus of this thesis is on the intersection of ferrofluids and highly water-repellent surfaces. The basic properties of ferrofluids and the limitations of contact angle goniometry are experimentally investigated, and novel field-induced instabilities and ferrofluid-based wetting characterisation methods are demonstrated. Publication I is an in-depth comparative analysis of two ferrofluids with electrostatic and electro-steric stabilisation. Structure, colloidal stability, magnetic and flow properties of the fluids are investigated with a range of advanced techniques. Publication II reviews recent literature on wetting of ferrofluids, which is important for microfluidics applications and magnetic actuation. The Publication discusses contact angle goniometry, the most common wetting characterisation method, and the challenges caused by the magnetic-field-induced deformation of ferrofluid droplets. Publications III and IV examine the challenges of contact angle goniometry on highly water-repellent surfaces. In the superhydrophobic wetting regime, an error of just a single pixel in locating the solid-liquid interface leads to large inaccuracies in the measured contact angles, rendering this technique poorly suited for these surfaces. Publications V and VI describe wetting characterisation methods for superhydrophobic surfaces based on oscillating magnetic droplets. A water droplet with a tiny amount of superparamagnetic nanoparticles is brought to an oscillatory motion in a parabolic magnetic field on the surface under investigation. The wetting properties can be measured from the rate at which the oscillations decay due to the dissipative forces. Publications VII and VIII investigate magnetic-field-induced ferrofluid droplet splitting on water-repellent surfaces. The field-induced instability is used to create self-assembled droplet populations, which can be magnetically actuated. Reversible switching between static and dynamic self-assembly is demonstrated using an oscillating field, and novel concepts for microfluidics and interfacial tensiometry are introduced. This thesis improves our understanding on the basic properties of ferrofluids and examines the limitations of contemporary wetting characterisation methods. Building on this foundation, it introduces novel phenomena and concepts, which can help the development of advanced ferrofluid-based applications.

Ferrofluidit ovat superparamagneettisten nanohiukkasten kolloidaalisia suspensioita. Niissä nestemäisyys yhdistyy voimakkaaseen magneettiseen vasteeseen, minkä ansiosta ferrofluidit ovat monikäyttöisiä materiaaleja, joilla on monia kiehtovia ominaisuuksia. Tämän väitöskirjan pääpaino on ferrofluidien ja erittäin vettähylkivien pintojen leikkauspisteessä. Väitöskirjassa tutkitaan kokeellisesti ferrofluidien perusominaisuuksia ja kontaktikulmamittausten pätevyysaluetta, sekä esitellään uudenlaisia magneettikentän aiheuttamia instabiliteettejä ja ferrofluidiin perustuvia kastumisominaisuuksien mittausmenetelmiä. Julkaisu I on perusteellinen vertaileva tutkimus kahdesta ferrofluidista, joista toinen sähkö-staattisesti ja toinen sähkösteerisesti stabiloitu. Nesteiden rakennetta, kolloidista stabiilisuutta sekä magneettisia ja virtausominaisuuksia tutkitaan useilla kehittyneillä menetelmillä. Julkaisussa II tarkastellaan viimeaikaista kirjallisuutta ferrofluidien kastumisominaisuuksista, jotka ovat olennaisia mikrofluidistisissa sovelluksissa ja magneettisen kontrolloinnin toteuttamisessa. Julkaisussa käsitellään yleisimmän kastumisominaisuuksien mittausmenetelmän, kontaktikulmamittausten, ongelmia, jotka aiheutuvat, koska magneettikenttä muuttaa ferrofluidipisaroiden muotoa. Julkaisuissa III ja IV tutkitaan kontaktikulmamittausten haasteita erittäin vettähylkivillä superhydrofobisilla pinnoilla. Jo yhden pikselin virhe nesteen ja kiinteän välisen rajapinnan tunnistamisessa johtaa suuriin virheisiin mittaustuloksissa. Näin ollen kontaktikulmamittaukset soveltuvat huonosti näille pinnoille. Julkaisuissa V ja VI esitellään magneettisiin pisaroihin perustuvia kastumisominaisuuksien mittausmenetelmiä, jotka soveltuvat superhydrofobisille pinnoille. Vesipisara, johon on lisätty pieni määrä superparamagneettisia nanohiukkasia, saatetaan oskilloivaan liikkeeseen parabolisessa magneettikentässä. Tutkittavan pinnan kastumisominaisuudet voidaan määrittää oskillaation vaimenemisnopeuden perusteella. Julkaisuissa VII ja VIII tutkitaan magneettikentän aiheuttamaa ferrofluidipisaroiden jakautumista vettähylkivillä pinnoilla. Tätä ilmiötä hyödyntäen voidaan luoda itsejärjestäytyneitä pisara-populaatioita, joita voidaan hallita magneettikentällä. Oskilloivan magneettikentän avulla on mahdollista siirtyä staattisesta itsejärjestymisestä dynaamiseen ja takaisin. Lisäksi julkaisuissa esitellään uusia menetelmiä, joita voidaan hyödyntää mikrofluidistiikassa ja pintajännityksen mittaamisessa. Tämä väitöskirja tuo uutta tietoa ferrofluidien perusominaisuuksista ja nykyisten kastumismittausten rajoituksista. Tältä pohjalta esitellään uusia ilmiöitä ja konsepteja, jotka voivat auttaa kehittyneiden ferrofluidipohjaisten sovellusten kehittämisessä.