Droplet friction on heterogeneous surfaces

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-02-09
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
232
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 14/2024
Abstract
The ability to control friction between a solid and a liquid is becoming more and more important in various existing applications as well as in novel ones. However, the mechanisms behind this liquid-solid friction are not yet sufficiently understood. This thesis compiles research performed in three publications where origin of the liquid-solid friction of water droplets is examined for various surfaces with properties ranging from hydrophilic to superhydrophobic and from a regular surface structure to a stochastic one. Publication I examines how molecular level heterogeneity of a surface affects the contact line friction between the surface and water. This is performed by preparing and characterizing self assembled monolayers with varying level of molecular coverages of hydrophobic alkyl tails on hydrophilic silicon wafer substrates. The results show that the low- and high-coverage surfaces with least chemical heterogeneity have the lowest friction while the intermediate-coverage surfaces with most heterogeneity have the highest friction. Publication II focuses on the relation of the contact line friction and the liquid-solid contact fraction of superhydrophobic surfaces. The friction is shown to scale with the contact fraction, being lowest with the lowest contact fraction, and a mathematical model is provided to describe this relation. The model works over wide ranges of friction and contact fraction values, both extending almost over three orders of magnitude. Another important message is that conical microstructures can be used to create surfaces with an extremely low liquid-solid contact fraction that results in an extremely low contact line friction. Publication III explores how superhydrophobic surfaces with stochastic roughness in the nanoand micrometre scales affect the liquid-solid friction. The wetting characterization shows that the friction is time dependent such that static droplets have time to adapt to the surface roughness while moving droplets do not have such time. This adaptation increases the liquid-solid contact fraction, which causes the increased contact line friction. Effectively, this creates a static friction barrier that pins static droplets to the surface but does not restrict the movement of already mobiledroplets. The obtained results of Publications I-III help determining critical surface parameters when designing functional surfaces for applications where low friction between a solid and a liquid is needed.

Kiinteän ja nesteen välisen kitkan säätämisen mahdollisuudesta on tulossa alati tärkeämpää erilaisissa sovelluksissa, niin vanhoissa kuin uusissakin. Ongelmana kuitenkin on, että tämän kitkan syntymekanismeja ei ymmärretä vielä riittävän hyvin. Tässä väitöskirjassa perehdytään kolmeen julkaisuun, joissa tutkitaan vesipisaroiden kiinteän ja nesteen välisen kitkan alkuperää erilaisilla pinnoilla, joiden ominaisuudet vaihtelevat hydrofiilisestä superhydrofobiseen ja säännöllisestä epäsäännölliseen pintarakenteeseen. Julkaisussa I tutkitaan kuinka pinnan molekyylitason heterogeenisyys vaikuttaa pinnan ja veden väliseen kontaktilinjakitkaan. Tutkimuksessa kasvatettiin ja karakterisoitiin itsejärjestyviä yksittäiskerroksia (self-assembled monolayer) hydrofobisia alkyyliketjuja vaihtelevalla pintatiheydellä hydrofiilisen pii-substraatin päällä. Tuloksista selviää, että alkyyliketjujen pintatiheyden ollessa matala tai korkea, jolloin myös pinnan kemiallinen heterogeenisyys on vähäistä, kitka on vähäistä, kun taas alkyyliketjujen pintatiheyden ollessa keskitasoa ja siten heterogeenisyyden ollessa suurimmillaan, kitka on voimakkaampaa. Julkaisussa II keskitytään kontaktilinjakitkan sekä kiinteän ja nesteen kontaktiosuuden väliseen yhteyteen superhydrofobisilla pinnoilla. Tutkimuksen mukaan kontaktiosuus määrittää kitkan suuruuden siten, että kitka on pienimmillään kontaktiosuuden ollessa pienimmillään, ja tätä yhteyttä kuvaamaan luotiin matemaattinen malli. Se toimii laajalla alueella erisuuruisia kitkan ja kontaktiosuuden arvoja, joista kumpikin ulottuu melkein kolmen kertaluokan yli. Toinen tutkimuksessa esitetty merkittävä havainto on, että kartiomallinen pinnan mikrorakenne luo pintoja, joilla kiinteän ja nesteen välinen pintaosuus jää äärimmäisen pieneksi, jolloin myös kontaktilinjakitka jää äärimmäisen pieneksi. Julkaisussa III perehdytään kiinteän ja nesteen väliseen kitkaan superhydrofobisilla pinnoilla, joilla on epäsäännöllinen pintarakenne nano- ja mikrometrikokoluokassa. Pinnan kastumisominaisuuksien karakterisointi paljastaa aikariippuvuuden kitkassa: paikallaan olevat pisarat ehtivät sopeutumaan pinnan karheuteen, kun taas liikkuvat pisarat eivät ehdi vastaavaan sopeutumiseen. Karkeuteen sopeutumisen seurauksena kiinteän ja nesteen kontaktiosuus kasvaa aiheuttaen myös kontaktilinjakitkan kasvun. Tämän seurauksena syntyy lepokitkakynnys, joka saa paikallaan olevat pisarat tarttumaan osittain pintaan kiinni samalla kun liikkuvat pisarat pystyvät kulkemaan vapaammin. Julkaisuiden I-III tulokset auttavat määrittämään kriittisiä pinnan parametreja, kun suunnitellaan funktionaalisia pintoja sovelluksiin, joissa vaaditaan matalaa kiinteän ja nesteen välistä kitkaa.
Description
Supervising professor
Ras, Robin, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
wetting, contact line friction, hydrophobicity, self-assembled monolayer, kastuminen, kontaktilinjakitka, hydrofobisuus, itsejärjestyvä yksittäiskerros
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Sakari Lepikko, Ygor Morais Jaques, Muhammad Junaid, Matilda Backholm, Jouko Lahtinen, Jaakko Julin, Ville Jokinen, Timo Sajavaara, Maria Sammalkorpi, Adam S. Foster, Robin H.A. Ras; Droplet slipperiness despite surface heterogeneity at molecular scale., Nature Chemistry, September 2023.
    DOI: 10.1038/s41557-023-01346-3 View at publisher
  • [Publication 2]: Sakari Lepikko, Valtteri Turkki, Tomi Koskinen, Ramesh Raju, Ville Jokinen, Mariia S. Kiseleva, Samuel Rantataro, Jaakko V.I. Timonen, Matilda Backholm, Ilkka Tittonen, Robin H.A. Ras; Droplet friction on superhydrophobic surfaces scales with liquid-solid contact fraction. Under revision, November 2023
  • [Publication 3]: Maja Vuckovac, Sakari Lepikko, Juuso Korhonen, Mika Latikka, Matilda Backholm, Robin H.A. Ras. The virtue of surface stochasticity on droplet repellency. Submitted, September 2023
Citation