Control and characterization of wetting at micro- and nanoscales
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2017-02-06
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
69 + app. 89
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 13/2017
Abstract
Wetting of surfaces is a fundamental research topic related to phenomena that are ubiquitous, from everyday life to science and technology. Liquid-repellent surfaces with low wettability can be found in textiles, kitchenware, eyeglasses and other optics, car windscreens and mirrors, outer surfaces of buildings and structures, and in various plants and insects in nature, which often provide inspiration for artificial repellent and super-repellent surfaces. Synthesizing and characterizing such surfaces is of great interest for both scientific studies and practical applications. Despite remarkable advances in the past few decades, challenges in wettability characterization and controlled wettability still remain. Measuring the wettability of superhydrophobic surfaces in a reliable and repeatable manner is difficult using traditional optical contact angle methods. In wetting control, one challenge is limiting the wetting of low surface tension liquids, such as oils and solvents, which easily spread on most surfaces. Another challenge is patterned wettability, where well-defined areas should have extreme differences in wetting properties. This thesis presents results in characterization of superhydrophobic surfaces, and wetting control through patterning and its applications in hybrid microassembly. Firstly, a force measurement-based method for characterization of superhydrophobic surface wettability is described. Interaction forces between a droplet and the surface are measured using high resolution to extract wetting and adhesion properties. The method can be applied in a scanning manner to map and reveal small local variations in wettability. A method for confining low surface tension liquids based on surface topography was also developed. The technique is realized using well-established silicon microfabrication techniques, and is applicable from the macroscale to the microscale. As the method is based purely on surface topography, it is widely applicable to different surface materials. Finally, a scanning electron beam method for accurate (sub-μm), high wetting contrast water wettability patterning is introduced. The results also reveal the possible wettability-modifying effects of electron beams in environmental scanning electron microscopes (ESEM), which are well‑established tools used in variousmicro- and nanoscale wetting studies.Pintojen kostuminen on perustavanlaatuinen tutkimusaihe, joka liittyy sekä arkipäiväisiin että moniin tieteen ja teknologian ilmiöihin. Nesteitä hylkiviä, heikosti kostuvia pintoja löytyy tekstiileistä, keittiövälineistä, silmälaseista ja muusta optiikasta, auton tuulilaseista ja peileistä, rakennusten ulkopinnoilta sekä luonnossa monista kasveista ja hyönteisistä. Luonnolliset pinnat toimivat usein inspiraationa keinotekoisia, nesteitä hylkiviä ja superhylkiviä pintoja kehitettäessä. Tällaisten pintojen valmistaminen ja kostumisominaisuuksien mittaaminen on kiinnostavaa niin tutkimuskohteena kuin käytännön sovellusten kannaltakin. Viime vuosikymmenten edistyksestä huolimatta kostumisominaisuuksien mittaamisessa ja hallinnassa on edelleen haasteita. Superhydrofobisten pintojen kostuvuuden luotettava ja toistettava mittaaminen on hankalaa perinteisellä optisella kontaktikulmamittauksella. Kostumisen hallinnassa eräs haaste on matalan pintajännityksen nesteiden kostumisen rajoittaminen. Tällaisia nesteitä ovat esimerkiksi öljyt ja monet liuottimet, jotka leviävät helposti useimmilla pinnoilla. Toinen haaste on kuvioitu kostuvuus, jossa tarkkaan määritellyillä alueilla kostumisominaisuudet poikkeavat huomattavasti muusta pinnasta. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin superhydrofobisten pintojen kostumisominaisuuksien mittausta sekä kostuvuuden kuviointia erityisesti mikrokokoonpanon sovelluksiin. Aluksi kuvaillaan superhydrofobisten pintojen kostuvuuden mittaamiseen menetelmä, joka perustuu vesipisaran ja pinnan välisten voimien mittaamiseen korkealla tarkkuudella. Menetelmällä voidaan kartoittaa pieniä, paikallisia poikkeamia kostuvuudessa. Työssä kehitettiin myös pinnan topografiaan perustuva menetelmä rajoittamaan matalan pintajännityksen nesteiden leviämistä pinnoilla. Vakiintuneilla mikrovalmistustekniikoilla toteutettua menetelmää voidaan soveltaa makromittakaavasta mikromaailmaan asti, ja se sopii useille pintamateriaaleille. Lisäksi väitöskirjatyössä esitellään uusi, kohdistettuun elektronisuihkuun perustuva menetelmä kostuvuuden tarkkaan kuviointiin. Tulokset myös osoittavat, että kostumisilmiöitä pyyhkäisyelektronimikroskoopilla tutkittaessa elektronisuihkulla voi olla näytteen kostumisominaisuuksia muokkaavia vaikutuksia.Description
Supervising professor
Zhou, Quan, Associate Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandThesis advisor
Zhou, Quan, Associate Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandKeywords
wettability characterization, wetting patterns, droplet self-alignment, kostuvuuden mittaus, kostumiskuviot, pisaran itsekohdistus
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Ville Liimatainen, Veikko Sariola and Quan Zhou, ”Controlling liquid spreading using microfabricated undercut edges”, Advanced Materials, vol. 25, no. 16, pp. 2275 – 2278, 2013.
DOI: 10.1002/adma.201204696 View at publisher
-
[Publication 2]: Ville Liimatainen, Ali Shah, Leena-Sisko Johansson, Nikolay Houbenov and Quan Zhou, “Maskless, high-precision, persistent, and extreme wetting-contrast patterning in an environmental scanning electron microscope”, Small, vol. 12, no. 14, pp. 1847 – 1853, 2016.
DOI: 10.1002/smll.201503127 View at publisher
- [Publication 3]: Ville Liimatainen, Maja Vuckovac, Ville Jokinen, Veikko Sariola, Quan Zhou and Robin Ras, “Mapping microscale wetting variations on biological and synthetic water-repellent surfaces”, submitted to Science (8 pages).
-
[Publication 4]: Quan Zhou, Ville Liimatainen and Iiris Routa, “Microsystem integration using hybrid microassembly”, in Proc. IEEE Electronic System-Integration Technology Conference, ESTC’14, pp. 1 – 6, 2014.
DOI: 10.1109/ESTC.2014.6962768 View at publisher
-
[Publication 5]: Ville Liimatainen, Veikko Sariola and Quan Zhou, “Undercut edges for robust capillary self-alignment in hybrid microassembly”, in Proc. IEEE Int. Conf. Nano/Micro Engineered and Molecular Systems , NEMS’13, pp. 1088 – 1091, 2013.
DOI: 10.1109/NEMS.2013.6559911 View at publisher
-
[Publication 6]: Ville Liimatainen, Mohamed Kharboutly, David Rostoucher, Michaël Gauthier and Quan Zhou, “Capillary self-alignment assisted hybrid robotic handling for ultra-thin die stacking”, in Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, ICRA’13, pp. 1403 – 1408, 2013.
DOI: 10.1109/ICRA.2013.6630754 View at publisher
-
[Publication 7]: Bo Chang, Ville Liimatainen, Iiris Routa and Quan Zhou, “High-accuracy positioning of microchips on patterns with jagged edges using hybrid microassembly”, in Proc. IEEE Int. Conf. Mechatronics and Automation, ICMA’12, pp. 807 – 812, 2012.
DOI: 10.1109/ICMA.2012.6283246 View at publisher