Dynamics of Magnetic Droplets on Liquid-Repellent Surfaces

Ferrofluidit ovat superparamagneettisten nanohiukkasten kolloidaalisia suspensioita. Niissä nestemäisyys yhdistyy voimakkaaseen magneettiseen vasteeseen, minkä ansiosta ferrofluidit ovat monikäyttöisiä materiaaleja, joilla on monia kiehtovia ominaisuuksia. Tämän väitöskirjan pääpaino on ferrofluidien ja erittäin vettähylkivien pintojen leikkauspisteessä. Väitöskirjassa tutkitaan kokeellisesti ferrofluidien perusominaisuuksia ja kontaktikulmamittausten pätevyysaluetta, sekä esitellään uudenlaisia magneettikentän aiheuttamia instabiliteettejä ja ferrofluidiin perustuvia kastumisominaisuuksien mittausmenetelmiä. Julkaisu I on perusteellinen vertaileva tutkimus kahdesta ferrofluidista, joista toinen sähkö-staattisesti ja toinen sähkösteerisesti stabiloitu. Nesteiden rakennetta, kolloidista stabiilisuutta sekä magneettisia ja virtausominaisuuksia tutkitaan useilla kehittyneillä menetelmillä. Julkaisussa II tarkastellaan viimeaikaista kirjallisuutta ferrofluidien kastumisominaisuuksista, jotka ovat olennaisia mikrofluidistisissa sovelluksissa ja magneettisen kontrolloinnin toteuttamisessa. Julkaisussa käsitellään yleisimmän kastumisominaisuuksien mittausmenetelmän, kontaktikulmamittausten, ongelmia, jotka aiheutuvat, koska magneettikenttä muuttaa ferrofluidipisaroiden muotoa. Julkaisuissa III ja IV tutkitaan kontaktikulmamittausten haasteita erittäin vettähylkivillä superhydrofobisilla pinnoilla. Jo yhden pikselin virhe nesteen ja kiinteän välisen rajapinnan tunnistamisessa johtaa suuriin virheisiin mittaustuloksissa. Näin ollen kontaktikulmamittaukset soveltuvat huonosti näille pinnoille. Julkaisuissa V ja VI esitellään magneettisiin pisaroihin perustuvia kastumisominaisuuksien mittausmenetelmiä, jotka soveltuvat superhydrofobisille pinnoille. Vesipisara, johon on lisätty pieni määrä superparamagneettisia nanohiukkasia, saatetaan oskilloivaan liikkeeseen parabolisessa magneettikentässä. Tutkittavan pinnan kastumisominaisuudet voidaan määrittää oskillaation vaimenemisnopeuden perusteella. Julkaisuissa VII ja VIII tutkitaan magneettikentän aiheuttamaa ferrofluidipisaroiden jakautumista vettähylkivillä pinnoilla. Tätä ilmiötä hyödyntäen voidaan luoda itsejärjestäytyneitä pisara-populaatioita, joita voidaan hallita magneettikentällä. Oskilloivan magneettikentän avulla on mahdollista siirtyä staattisesta itsejärjestymisestä dynaamiseen ja takaisin. Lisäksi julkaisuissa esitellään uusia menetelmiä, joita voidaan hyödyntää mikrofluidistiikassa ja pintajännityksen mittaamisessa. Tämä väitöskirja tuo uutta tietoa ferrofluidien perusominaisuuksista ja nykyisten kastumismittausten rajoituksista. Tältä pohjalta esitellään uusia ilmiöitä ja konsepteja, jotka voivat auttaa kehittyneiden ferrofluidipohjaisten sovellusten kehittämisessä.