Living droplets on superhydrophobic surfaces

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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

2025-01-02

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

23

Series

Abstract

This thesis explores the behavior of small water droplets containing active live swimmers on a superhydrophobic surface. In previous studies with bacteria or nanoparticles it has been shown that the collective movement of the swimmers can result in shape fluctuations and spontaneous self-propulsion of the droplet. There are also models that predict a droplet's resonance oscillation frequency based on the droplet volume and liquid properties. On a superhydrophobic surface, the droplets obtain an almost spherical shape and any friction is minimized, allowing for minimally restricted movement. In the future, understanding the dynamics of small-scale swimmers could help in the design of synthetic motors that could have applications for example in medicine. The behavior of droplets on superhydrophobic surfaces is crucial for example for designing self-cleaning and water-repellent solar panel coatings. The swimmers used in experiments are mesoscale organisms of the species Artemia, also more commonly known as sea monkeys or brine shrimp. Artemia are easily cultivated in a salt water solution in the lab setting, and hatch in approximately 24 hours. The experimental setup is quite simple, the most important parts being the supherhydrophobic etched black silicon surface, a micropipette force sensor (MFS) and a high speed camera. A droplet containing a number of Artemia is set on the substrate, and the movement of the droplet is captured in the deflection of the pipette. Experiments are done for varying droplet volumes (2-12 $\mu L$), 2 different light intensities and with different numbers of Artemia (1-7) per drop. With image analysis, we calculate the droplet volume, diameter, and the deflection of the MFS as a function of time. Through an fft algorithm we then obtain the droplet oscillation frequency for each data point. The results show a clear inverse relationship between the droplet oscillation frequency and the droplet volume. This is as predicted by the models for droplet resonance frequency which fit the results quite well. Interestingly though, with a higher light intensity we record slightly higher frequencies. This could be explained by the Artemia reacting to the light with increasing swimming activity or speed. The data is not clear enough to make clear conclusions about the effect of the number of Artemia on the frequencies. We conclude that overall the discussed models fit our data well; It seems that the internal movement caused by the swimmers 'activates' the droplet to oscillate at a frequency close to its resonance frequency. However, the models do not account or explain the effect of the Artemia activity. More careful experiments are required to see if there is a pattern in the effect of Artemia number. The present experiments have not controlled well enough for variables such as the Artemia age, length and liquid salinity. For future experiments these variables should be more carefully recorded and monitored.

Tämä kandidaatintyö käsittelee elollisia, liikkuvia eliöitä sisältävien pienten vesipisaroiden käyttäytymistä suprehydrofobisella pinnalla. Aiemmissa bakteereita tai nanohiukkasia käsittelevissä tutkimuksisa on osoitettu, että näiden kollektiivinen liike voi johtaa pisaran muodon muutoksiin sekä sen spontaaniin itsenäiseen liikkumiseen. On myös teorettisia malleja, jotka ennustavat pisaran resonanssivärähtelytaajuutta sen tilavuuden ja nesteen ominaisuuksien perusteella. Superhydrofobisella alustalla pisaran muoto on lähes pallomainen ja minimaalinen kitka mahdollistaa hyvin vapaan liikkeen. Pienten organismien liikkeen ymmärtäminen voi tulevaisuudessa auttaa synteettisten robottien suunnittelussa esimerkiksi lääketieteen tarpeisiin. Superhydrofobisia pintoja taas hyödynnetään muun muassa aurinkopaneelipinnoitteissa. Tässä työssä käytetyt organismit ovat Artemia- lajin mesoskooppisia suolalehtijalkaisia. Artemioita on helppo kasvattaa laboratoriossa suolavedessä. Koejärjestelyn tärkeimmät komponentit ovat superhydrofobinen musta silikoni pinta, mikropipettivoima-anturi (MFS) ja high-speed kamera. Artemioita sisältävä pisara asetetaan pinnalle, ja pisaran liike havaitaan siihen kiinnitetyn pipetin liikkeenä. Mittauksia tehdään eri kokoisilla pisaroilla (2-12 mu L), kahdella eri valoasetuksella sekä eri määrillä artemioita (1-7). Kuva-analyysillä lasketaan kunkin pisaran tilavuus, halkaisija ja MFS:n poikkeama ajan funktiona. FFT-agoritmilla saadaan selville pisaran värähtelytaajuus. Tuloksista näkyy selvä käänteinen riippuvuus pisaran värähtelytaajuuden ja tilavuuden välillä. Tämä on teoreettisten mallien mukaista, ja mallit sopivat mittaudataan melko hyvin. Lisäksi kirkkaammassa valossa mitataan hieman korkeampia taajuuksia. Tämän voisi selittää artemioiden aktivoituminen ja nopeampi uintitahi reaktiona valoon. Data ei ole tarpeeksi selvää, jotta eri artemiamäärien vaikutuksesta taajuuteen voisi tehdä päätelmiä. Vaikuttaa siltä, että artemioiden liike aktivoi pisaran värähtelemään lähellä sen resonanssitaajuutta. Mallit eivät kuitenkaan selitä artemioiden aktiivisuuden vaikutusta. Tarkempia mittauksia tarvitaan selvittämään, onko artemiamäärällä ennustettavaa vaikutusta tuloksiin. Tulevissa mittauksissa eri parametrien, kuten artemioiden iän, koon ja nesteen suolapitoisuuden, arvojen määrittäminen ja pitäminen yhtenäisinä tulisi tehdä tarkemmin, kuin ne on tätä työtä varten tehty.

Description

Supervisor

Backholm, Matilda

Thesis advisor

Ayala Lara , Rafael

Keywords

active matter, living droplets, mesoscale, superhydrophobic surfaces, artemia

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501071042

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI