Dynamic interactions between ultrasound and water-repellent surfaces

Abstract

Water-repellent surfaces such as superhydrophobic surfaces (SHSs) and slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPSs) are widely used in applications requiring liquid manipulation, antifouling, and drag reduction. Despite their promise, their dynamic control remains limited, particularly under submerged or contactless conditions. Meanwhile, ultrasound is a non-invasive tool capable of exerting precise mechanical forces at microsecond and micrometer scales. To address the need for active, reversible, and localized control of wetting behaviour, this thesis investigates the interaction between ultrasound and water-repellent surfaces using acoustic radiation force (ARF).

The aim of this Thesis was to explore the interaction between ultrasound and water-repellent surfaces. Specifically, ultrasound-driven methods were developed to control surface wetting states, enable thermal control, and actuate fluid interfaces non-invasively. SHSs were studied for reversible Cassie-Baxter/Wenzel transitions and were used as acoustic switches to shield or transmit energy depending on their wetting state. SLIPSs were used as a platform for ARF-induced droplet manipulation at the air-water interface, enabling contactless control of microlitre-scale fluids. Experimental setups integrated high-speed imaging, Schlieren imaging, hydrophone pressure mapping, thermographic methods, and numerical simulations.

The results showed that focused ultrasound can collapse or restore thin layers of air (i.e., plastrons) within 100 μs, switch local acoustic transmission by over 85%, and protect SHSs from thermal damage. SLIPSs enabled precise actuation of droplets (0.2-200 μL) with speeds up to 2.5 mm s-1, overcoming retention forces thanks to the ARF. Additionally, droplet merging, splitting, atomization and micro-object delivery were achieved using the same acoustic setup.

The findings in this Thesis demonstrate that ultrasound can serve as a versatile tool to dynamically control wetting, heat, and fluid interfaces. They also lay the foundation for acoustic surface programming in applications such as microfluidics, biomedical devices, and soft robotics.

Vettä hylkivät pinnat, kuten supervettähylkivät pinnat (SHS) ja liukkaan nesteen kyllästämät huokoiset pinnat (SLIPS), ovat laajasti käytössä nesteen hallintaa likaantumisen estoa ja virtausvastuksen vähentämistä vaativissa sovelluksissa. Vaikka nämä pinnat tarjoavat merkittäviä etuja, niiden dynaaminen hallinta on edelleen rajallista, erityisesti nesteeseen upotettuna tai eikoskevissa olosuhteissa. Ultraääni on puolestaan ei-invasiivinen menetelmä, jolla voidaan kohdistaa tarkkoja mekaanisia voimia mikrosekunti- ja mikrometriskaaloilla. Tämä väitöskirja vastaa tarpeeseen akustisille, palautuville ja paikallisen pinnan vettymisen hallinnan pinnotteille tutkimalla ultraäänen ja vettä hylkivien pintojen vuorovaikutusta akustista säteilyvoimaa hyödyntäen.

Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia ultraäänen ja vettä hylkivien pintojen välisiä vuorovaikutuksia. Erityisesti kehittämise kohteena oli ultraääneen perustuvia menetelmiä pintojen kostumisen hallintaan, lämpötilan säätelyyn ja nesteiden rajapintojen kosketuksettomaan hallintaan. SHS-pintoja tutkittiin palautuvien siirtymien Cassie-Baxter- ja Wenzel- kostumistilojen välillä, ja niitä käytettiin akustisina kytkiminä joko heijastamaan tai läpäisemään akustista energiaa kostumistilasta riippuen. SLIPS-pintoja käytettiin ARF:n mahdollistamaan pisaroiden manipuloinnin ilma-vesi-rajapinnalla, mahdollistaen mikormetriluokan nesteiden koskemattoman hallinnan. Kokeelliset menetelmät sisälsivät korkeanopeus- Schlieren-, ja lämpökuvantamista sekä hydrofonimittauksia sekä numeerista mallintamista.

Tulokset osoittivat, että fokusoitu ultraääni voi romahduttaa tai palauttaa superhydrofobisella pinnalla olevan kaasun alle 100 μs:ssa, muuttaa paikallista ultraäänen läpäisevyyttä yli 85%, ja suojata supervettähylkiviä pintoja lämpövaurioilta. SLIPS-pinnat mahdollistivat tarkan pisaroiden (0.2-200 μL) liikuttamisen jopa 2.5 mm s-1 nopeuksilla, ylittäen pidätysvoimat ARF:n ansiosta. Lisäksi samalla akustisella järjestelmällä voitiin yhdistää, jakaa ja atomisoida pisaroita sekä siirtää mikro-skaalan kokoisia kappaleita.

Tämän väitöskirjan tulokset osoittavat, että ultraääni voi toimia monipuolisena työkaluna pintojen kostumisen, lämpötilan ja nestemäisten rajapintojen dynaamisessa hallinnassa, mikä luo perustaa akustiselle pintaohjelmoinnille sovelluksissa, kuten mikrofluidiikassa, biolääketieteellisissä laitteissa ja pehmeässä robotiikassa.