Studies on Wettability - From Fundamental Concepts and Nanofibrous Materials to Applications

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-08-09
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
89 + app. 47
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 116/2013
Abstract
Water is among the most vital substances on earth. Despite being an everyday element, prominently interesting phenomena occur when water is in contact with a surface. Superhydrophobic surfaces are ones that do not wet. In the extreme, they repel water to such a large degree that water does not stick to even nearly horizontal planes. Nowadays, many researchers pursue the magnificent examples set by nature, such as the extraordinary water repellency of a lotus leaf. Even though the basis of the study of wetting dates back to the 1800s, many elementary concepts remain unexplored. This thesis combines fundamental notions of wetting to experimental material science and demonstrates applications based on these materials, ranging from memory devices and sensors to pellets, which facilitate environmental clean-up. Publication I studies the fundamental concepts of surface wetting characterization and introduces a quantitative method for measuring the receding contact angle using the sessile-drop method. Theory and experiments together with calculations evaluate the validity of the developed model, and good agreement between theory and experiments is found. Furthermore, a novel definition for superhydrophobicity is proposed. Publication II introduces a growth model for the synthesis of silicone nanofilaments, which are one-dimensional nanostructures used to create superhydrophobic surfaces. In contrast to the previous studies, the present model explains the break of symmetry occurring in the initial phase of the growth, which has so far been implicitly assumed. Publication III demonstrates a hierarchically rough surface, which exhibits bi-stable superhydrophobic wetting states under water. A rapid local wetting transition occurs simply by locally applying pressure or suction onto the surface. Theoretical considerations explain the phenomena and a simple display demonstrates the concept. Publications IV and V introduce nanocellulose aerogels coated by atomic layer deposition with inorganic thin films. These materials are further employed as a resistive/capacitive humidity sensor and for oil spill cleanup from a water surface. The porosity and high surface area of the structures together with the wetting properties of the inorganic coating account for the observed properties. In addition, the study evaluates different drying methods for the nanocellulose aerogels based on the aggregation of the fibrils. Combining basic principles of wetting and superhydrophobicity to novel materials, as shown in this study, can lead to applications from myriad fields of technology. The concepts and applications demonstrated hopefully inspire future research towards many wetting-based applications.

Vesi on arkipäiväinen, mutta elintärkeä aine. Veden kastelemilla pinnoilla tapahtuu erittäin mielenkiintoisia ilmiöitä. Superhydrofoobiset pinnat ovat sellaisia, joilta pisarat vierivät pois vaikka pinta olisi lähes vaakasuorassa. Nykyään monet tutkijat pyrkivät jäljittelemään luonnossa esiintyviä ilmiöitä ja rakenteita, kuten esimerkiksi lootuskukan lehden äärimmäistä vedenhylkimiskykyä. Vaikka pintojen kastuvuustutkimuksen perusta luotiin jo 1800-luvun alussa, monia perustavanlaatuisia käsitteitä on edelleen tutkimatta. Tämä työ yhdistää teoreettisia konsepteja kokeelliseen materiaalitieteeseen ja esittelee näille uusille materiaaleille sovelluksia digitaalisista muisteista öljyntorjuntapelletteihin. Julkaisu I tutkii pintojen kastuvuuden peruskäsitteitä ja esittää kvantitatiivisen kokeellisen menetelmän, jolla voidaan mitata pinnan vetäytyvän kontaktikulman arvo käyttämällä ns. pisaramenetelmää. Vastaavuus teorettisen konseptin, laskennallisten mallin sekä kokeiden välillä todennetaan. Lisäksi työssä ehdotetaan uutta määritelmää superhydrofoobisuudelle. Julkaisu II esittelee kasvumallin, joka selittää kuinka silikoninanofilamentit, jotka ovat superhydrofoobisia kuitumaisia nanorakenteita, kasvavat pinnoille. Aiemmissa malleissa ei olla pystytty täysin kuvaamaan kuinka tetragonaalisista lähtöaineista muodostuu yksiulotteisia rakenteita. Ehdotettu malli pyrkii kattamaan juuri tämän symmetrian rikkoutumisen. Julkaisu III käsittelee hierarkkista pintaa, jolla esiintyy kaksi superhydrofoobista kastumistilaa, kun se asetetaan veden alle. Paikalliset painemuutokset aiheuttavat nopean ja paikallisen muutoksen tilasta toiseen. Teoria ja kokeet osoittavat, että molemmat tilat ovat pitkäikäisiä ja konseptia havainnollistetaan käyttämällä pintaa yksinkertaisena näyttölaitteena. Julkaisut IV ja V kuvailevat nanoselluloosa-aerogeelejä, jotka on pinnoitettu epäorgaanisilla aineilla käyttäen atomikerroskasvatusmenetelmää, ja joiden avulla voidaan luoda sekä resistiivinen/ kapasitiivinen kosteusanturi että pelletti, jota voidaan käyttää öljylauttojen imeyttämiseen suoraan veden pinnalta. Aerogeelien suuri huokoisuus ja suuri pinta-ala mahdollistavat esitellyt ominaisuudet. Lisäksi työssä vertaillaan erilaisia nanoselluloosa-aerogeelien kuivausmenetelmiä kuitumaisen verkostorakenteen säätämiseksi. Kastuvuusilmiöiden peruskäsitteiden yhdistäminen materiaalitieteeseen, kuten tässä työssä on tehty, voi johtaa mielenkiintoisiin sovelluksiin monella tekniikan alalla. Esitellyt konseptit ja sovellukset toivottavasti inspiroivat jatkotukimuksia, joissa yhdistellään kastuvuusilmiöitä sovelluksiin.
Description
Supervising professor
Ikkala, Olli, Acad. Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Ikkala, Olli, Acad. Prof., Aalto University, Department of Applied, Physics, Finland
Ras, Robin, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
wetting, superhydrophobicity, nanocellulose, aerogel, humidity sensor, oil absorption, kastumisilmiöt, superhydrofobisuus, nanoselluloosa, aerogeeli, kosteusanturi, öljyn imeytys
Other note
Parts
  • [Publication 1]: J. T. Korhonen, T. Huhtamäki, O. Ikkala, and R. H. A. Ras. Reliable Measurement of the Receding Contact Angle. Langmuir, 29, 3858–3863, 2013.
  • [Publication 2]: J. T. Korhonen, T. Huhtamäki, and R. H. A. Ras. Growth Model for Hollow Silicone Nanofilaments Based on Local Pressure-Induced Film Expansion. Submitted, June 2013.
  • [Publication 3]: T. Verho, J. T. Korhonen, L. Sainiemi, V. Jokinen, C. Bower, K. Franze, S. Franssila, P. Andrew, O. Ikkala, and R. H. A. Ras. Reversible Switching Between Superhydrophobic States on a Hierarchically Structured Surface. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 109, 10210–10213, 2012.
  • [Publication 4]: J. T. Korhonen, P. Hiekkataipale, J. Malm, M. Karppinen, O. Ikkala, and R. H. A. Ras. Inorganic Hollow Nanotube. Aerogels by Atomic Layer Deposition onto Native Nanocellulose Templates. ACS Nano, 5, 1967–1974, 2011.
  • [Publication 5]: J. T. Korhonen, M. Kettunen, R. H. A. Ras, and O. Ikkala. Hydrophobic Nanocellulose Aerogels as Floating, Sustainable, Reusable, and Recyclable Oil Absorbents. ACS Applied Materials & Interfaces, 3, 1813–1816, 2011.
Citation