Διεπιφανειακά φαινόμενα αλληλεπιδράσης ηλεκτρικών πεδίων και υγρών σε υπερυδρόφοβες επιφάνειες

Abstract

In this thesis, we studied droplet mobility on smooth and roughened hydrophobic surfaces under the presence of gravitational and electric fields. In particular, we fabricated hydrophobic coatings and super-hydrophobic surfaces for the improvement of the operational performance of lab-on-a-chip devices, which is strongly dependent on microdroplet – solid surface interaction.This thesis is divided into three main parts each corresponding to the surface roughness studied: In the first part an innovative smooth hydrophobic coating is proposed, namely composite coating; in the second part periodic rough super-hydro/hygrophobic surfaces are studied and in the third part we study the combination of randomly rough surfaces incorporating the composite coating that follows the rough surface topography.In the first part, we study the reliability of thin dielectrics with a proposed smooth hydrophobic coating which may be used in electrowetting-on-dielectric devices. The majority of such devices comprise a thin dielectric film and a Teflon-like hydrophobic coating which is commonly deposited using spin-coating. In this study, plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is used to deposit thin fluorocarbon films prior to the spin-coating of Teflon amorphous fluoropolymer. The resulting multilayered hydrophobic top coating improves the electrowetting performance of the stack, by showing high resistance to dielectric breakdown at high applied voltages and for continuous long term application of DC and AC voltage. Since the proposed composite coating demonstrates increased resistance to material failure and to dielectric breakdown even at thin dielectric configurations, its integration in electrowetting devices may impact their reliability, robustness and lifetime.In the second part, a super-hygrophobic surface with periodic roughness features is developed and studied. Superhygrophobic surfaces exhibit very high droplet contact angles (typically >150°) and low contact angle hysteresis and are further associated with reduced physical adsorption of proteins, enzymes and other macro-molecules. The superhygrophobic surfaces that were developed met the demand of the limitation of the physical absorption of surface (bio)microfluidics devices. The experimental observations reported, confirm that the developed surfaces are highly suitable for actuation of TAQ-DNA polymerase. The resulting high contact angle and low physical adsorption of TAQ droplets on these surfaces is favorable for subsequent droplet manipulations (transport, mixing, thermal cycling), required in order to conduct on-chip PCR based bio-assays.In the final part, we studied superhygrophobic coating with random roughness features created using plasma nanotexturing. These surfaces are of great research interest because they can be used in a plenty of innovative technological applications. For this reason, we fabricated randomly rough superhygrophobic polymeric microfluidics with controlled hierarchical, random roughness using plasma etching and simultaneous nanotexturing (followed by fluorocarbon plasma deposition). In order to develop robust surfaces, we explored two major stability issues of such surfaces: (i) the structural stability of the nanotexture against capillary and adhesion forces during successive wetting–drying cycles, and (ii) the thermodynamic stability (robustness) of these surfaces related to the maximum sustainable pressure of the Cassie–Baxter inhomogeneous wetting state. The effect of pressure, liquid type and applied electrical field on the wetting states of randomly rough and structurally stable surfaces, was also studied.In the main body of this study we compared the aforementioned hydrophobic coatings and superhygrophobic surfaces with various experimental methods such as contact angle – applied voltage characteristics, successive electrowetting cycles, electrical fatigue tests, optical microscopy observation, nano-scratching tests, AFM measurements, SEM, static contact angle and contact angle hysteresis measurements, optical observation of the surface with conventional CCD camera, static contact angle measurements before and after application of electric field etc. Also, it was shown that Laser Induced Forward Transfer may be a valuable tool for the exploration of liquid jet impact dynamics on solid surfaces. Our goal is to demonstrate the effectiveness of the appropriate coatings in micro-droplet manipulation and in drop wetting states control in order to improve the performance of lab-on-a-chip devices.Furthermore, the appropriate coatings that favor the manipulation of microdroplets with and without the presence of an electric field were implemented in the study of electrowetting as an alternative methodology with which we can achieve an effective control of wetting states on rough surfaces.

Στην παρούσα διατριβή έγινε ανάπτυξη και μελέτη υδρόφοβων και υπερ-υδρό/υγρόφοβων επιστρώσεων με σκοπό τη βελτίωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών διατάξεων του τύπου lab-on-a-chip, που αφορούν εν γένει στην αλληλεπίδραση μικροσταγόνων και τροποποιημένων επιφανειών (μεταβολή στην τραχύτητα και στη χημεία της επιφάνειας). Ειδικότερα μελετήθηκε η μετακίνηση μικροσταγόνων με την παρουσία ηλεκτρικού πεδίου.Η διατριβή περιέχει τρία μέρη σχετικά με τη τραχύτητα των επιστρώσεων που κατασκευάζονται και μελετώνται. Στο πρώτο μέρος γίνεται ανάπτυξη και μελέτη πρότυπης λείας επίστρωσης (σύνθετο υμένιο), στο δεύτερο, μελετώνται τραχείες υπερ-υδρό/υγρόφοβες επιστρώσεις, ενώ στο τρίτο μελετώνται περιπτώσεις συνδυασμού των δύο παραπάνω, όπου αναπτύσσεται το σύνθετο υμένιο ώστε να ακολουθεί την τραχεία τοπογραφία της επιφάνειας.Συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος μελετάται η αξιοπιστία λεπτών διηλεκτρικών με λεία υδρόφοβη επίστρωση που χρησιμοποιούνται σε συστήματα ηλεκτροδιαβροχής. Στην πλειονότητα των συστημάτων αυτών η δομή αποτελείται από ένα λεπτό κυρίως διηλεκτρικό στρώμα και μια υδρόφοβη επίστρωση, συνήθως Teflon®, μέσω επίστρωσης με περιστροφή. Για τη βελτίωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών τέτοιων υδρόφοβων διηλεκτρικών, πραγματοποιείται, με χημική απόθεση από ατμό, επίστρωση φθορανθρακικού υμενίου η οποία προηγείται της τελικής επίστρωσης με Teflon®. Η προκύπτουσα πολυστρωματική δομή παρουσιάζει αντοχή στην ηλεκτρόλυση σε υψηλές εφαρμοζόμενες τάσεις με συνακόλουθη διατήρηση των αρχικών διηλεκτρικών ιδιοτήτων, όπως αποδείχθηκε πειραματικά από μετρήσεις ρευμάτων διαρροής από το διηλεκτρικό, βελτιώνοντας συνολικά την αξιοπιστία των υδρόφοβων διηλεκτρικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διατάξεις ηλεκτροδιαβροχής.Στο δεύτερο μέρος, αναπτύσσεται και μελετάται υπερυγρόφοβη επίστρωση περιοδικής τραχύτητας. Οι υπερυγρόφοβες επιφάνειες, χαρακτηρίζονται από μεγάλη (>150°) γωνία επαφής και χαμηλή υστέρηση γωνίας επαφής, το οποίο σχετίζεται άμεσα με μειωμένη προσρόφηση στην επιφάνεια, ενζύμων και λοιπών μακρομορίων. Με τις υπερυγρόφοβες επιστρώσεις που κατασκευάστηκαν ικανοποιείται η απαίτηση περιορισμού της φυσικής προσρόφησης βιολογικού υλικού της σταγόνας στην επιφάνεια διατάξεων του τύπου surface microfluidics (μικρορευστονικές διατάξεις επιφανείας) και γίνεται επιτυχής διανομή μικροσταγόνων που περιείχαν TAQ-DNA πολυμεράση. Οι τραχείες υπερυγρόφοβες επιστρώσεις που κατασκευάστηκαν ευνοούν τη διαχείριση μικροσταγόνων (διανομή, μεταφορά, ανάμειξη, θερμικοί κύκλοι) που απαιτείται για την πραγματοποίηση βιοαναλύσεων, όπως η PCR, σε διατάξεις τέτοιου τύπου.Τέλος, στο τρίτο μέρος, μελετάται υπερυγρόφοβη επίστρωση τυχαίας τραχύτητας με νανοΰφανση με πλάσμα. Οι επιφάνειες αυτές έχουν εξαιρετικό ερευνητικό ενδιαφέρον γιατί μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές καινοτόμες τεχνολογικές εφαρμογές. Για το λόγο αυτό εξετάζεται η υδρο-/υγροφοβικότητα επιφανειών από PMMA που φέρουν ιεραρχικού τύπου τυχαία τραχύτητα έπειτα από εγχάραξη με πλάσμα οξυγόνου (νανοΰφανση) και απόθεση λεπτού στρώματος πλάσματος φθοράνθρακα. Προς επίτευξη ανθεκτικών επιφανειών, μελετώνται τόσο η δομική ευστάθεια της τραχύτητας (μεταβολή στην επιφανειακή μορφολογία υπό την επίδραση τριχοειδών δυνάμεων κατά τη διάρκεια διαδικασίας εμβάπτισης-στεγνώματος σε νερό) όσο και η επίδραση της πίεσης, του είδους του υγρού και του ηλεκτρικού πεδίου στις μεταβολές των καταστάσεων διαβροχής πάνω σε δομικά ευσταθείς επιφάνειες.Σε όλη την έκταση της διατριβής γίνεται συγκριτική μελέτη των παραπάνω υδρό-/υγρόφοβων επιστρώσεων με διαφορετικές πειραματικές μεθόδους μερικές από τις οποίες είναι χαρακτηριστικές καμπύλες γωνίας επαφής-επιβαλλόμενης τάσης, διαδοχικούς κύκλους ηλεκτροδιαβροχής, δοκιμασίες ηλεκτρικής αντοχής, παρατήρηση με οπτικό μικροσκόπιο, δοκιμασίες Νανο-χαραγής, μετρήσεις AFM και παρατήρηση με SEM, μετρήσεις γωνιών επαφής, μετρήσεις υστέρησης γωνίας επαφής, οπτική παρατήρηση της επιφάνειας με συμβατική CCD κάμερα, μετρήσεις γωνιών επαφής ύστερα από ηλεκτρική κόπωση κ.α. Στόχος είναι να αναδειχθεί η πλέον κατάλληλη επίστρωση που ευνοεί τόσο την αποτελεσματική διαχείριση μικροσταγόνων πάνω σε αυτές όσο και τον έλεγχο των καταστάσεων διαβροχής τους με απώτερο στόχο τη βελτίωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών διατάξεων του τύπου lab-on-a-chip.Προς αυτή την κατεύθυνση, μετά την κατασκευή και μελέτη των κατάλληλων επιστρώσεων που απεδείχθη ότι ευνοούν τη διαχείριση μικροσταγόνων χωρίς αλλά κυρίως με ηλεκτρικό πεδίο, μελετήθηκε ένας εναλλακτικός τρόπος με τον οποίο μπορεί να επιτευχθεί αποδοτική ρύθμιση των καταστάσεων διαβροχής τραχειών επιφανείων. Αποδείχθηκε ότι η τεχνική Laser Induced Forward Transfer μπορεί να αποτελέσει πολύτιμο εργαλείο για την κατανόηση της δυναμικής της πρόσκρουσης σταγόνων σε στερεές επιφάνειες, γεγονός με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για αρκετές τεχνολογικές εφαρμογές.