Superhydrophobic metrology and applications

Superhydrofobiset pinnat hylkivät vettä ja niillä on hyödyllisiä ominaisuuksia kuten itsepuhdistuminen, huurtumattomuus, jäänesto ja huonosti likaantuminen. Tämänhetkisillä mittausmenetelmillä on vaikeuksia erotella superhydrofobisia pintoja rajallisen voima ja optisen resoluution takia. Täten sopivampia mittausmenetelmiä tarvitaan superhydrofobisten pintojen erotteluun. Nykyistä standardi menetelmää, kontaktikulmamittaria, verrataan kahteen voimaan perustuvaan menetelmään pisaraheilurikitkamittariin ja mikropipettivoimasensoriin. Tämän lisäksi tutkittiin superhydrofobisten pintojen soveltuvuutta voiteluun. Julkaisu I vertailee mikropipettivoimasensorin ja kontaktikulmamittarin mittausherkkyyttä superhydrofobisilla pinnoilla. Tässä julkaisussa mikropipettivoimasensori mittaa kontaktikulmahystereesivoiman ja kontaktikulmamittari pisaran kontakti kulmat. Mikropipettivoimasensori pystyy helposti erottelemaan superhydrofobisia pintoja toisistaan, kun taas kontaktikulmamittarilla ei pystytty erottelemaan eri superhydrofobisia näytteitä. Julkaisussa II pisaraheilurikitkamittarin mittausherkkyyttä superhydrofobisilla pinnoilla verrataan kontaktikulmamittarin herkkyyteen. Tässä julkaisussa pisaraheilurikitkamittarilla mitataan viskoosi ja kontaktikulmahystereesi voimien suuruudet ja kontaktikulmamittarilla kontaktikulma hystereesi. Pisaraheilurikitkamittari pystyi erottamaan kaikki superhydrofobiset pinnat toisistaan ja löytämään pieniä eroja lämpökäsitellystä nanorakenteisestä kupari näytteestä, kun taas kontaktikulmamittarilla ei pystytty löytämään eroja näytteiden välillä. Julkaisu III tutkii mikropipettivoimasensorin oskilloivaa versiota, jonka perustuu pisaraheilurikitkamittarin mallinnukseen. Julkaisussa käytetään hiilihapotettua vettä ja MilliQ-vettä viskoosien häviöiden tutkimiseen pisaran ja superhydrofobisen pinnan välisessä ilmakerroksessa. Julkaisussa rakennetaan viskooseja häviöitä kuvaava malli, joka todennetaan kokeellisilla mittauksilla. Julkaisu IV tutkii superhydrofobisten pintojen käyttöä voiteluun. Liukas ilmavesikaksoiskerros muodostuu superhydrofobisen pinnan ja veden väliin. Kaksoiskerrosta käytetään vähentämään kahden kiinteän kappaleen välillä olevia häviövoimia. Häviövoimat mitataan pisaraheilurikitkamittarilla ja kaltevalla pinnalla. Mittauksissa saavutetaan erittäin hyvä voitelu matalilla nopeuksilla (v<1 m/s) ja paineella (50 Pa) kitakertoimen ollessa suuruusluokaltaan 0.001, joka on vastaavalla tasolla parhaimpien voitelumenetelmien kanssa. Väitöskirja esittelee pisaraheilurikitkamittarin ja mikropipettivoimasensorin superhydrofobisten pintojen mittaustarkkuutta ja kontaktikulmamittarin rajallista soveltuvuutta superhydrofobisten pintojen erotteluun. Tarve tällaisille mittalaitteille tulee kasvamaan, kun uusia superhydrofobisia pintoja ja sovelluksia tulee markkinoille lisää. Tarkat mittaukset ovat kriittisiä, jotta superhydrofobisten pintojen hyödyllisiä ominaisuuksia saadaan hyödynnettyä ja kaupallistettua.