Смачивание и гидродинамические свойства анизотропных супергидрофобных поверхностей

На правах рукописиДубов Александр ЛеонидовичСМАЧИВАНИЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВААНИЗОТРОПНЫХ СУПЕРГИДРОФОБНЫХПОВЕРХНОСТЕЙ01.04.07 — Физика конденсированного состоянияАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква — 2016Работа выполнена в Лаборатории физико-химии модифицированныхповерхностей Федерального государственного бюджетного учреждениянауки Института физической химии и электрохимии им. А. Н. ФрумкинаРАН.Научный руководительдоктор физико-математических наук,Виноградова Ольга ИгоревнаОфициальные оппонентыдоктор физико-математических наук,профессор Щёкин Александр Кимовичдоктор физико-математических наукЕфимов Виктор БорисовичВедущая организацияФедеральное государственноебюджетное учреждение наукиИнститут химической физикиим. Н.

Н. Семенова РАН (ИХФ РАН)Защита состоится «17» марта 2016 года в 15 ч. 30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 при Московском государственномуниверситете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва,ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр.2, Физический факультет МГУ имениМ. В. Ломоносова, ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27) ина странице в интернете www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501002-01/.Автореферат разослан «»Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01,кандидат физико-математических наук2016 года.Т. В.

ЛаптинскаяОбщая характеристика работыАктуальность работы. Супергидрофобные поверхности представляютиз себя химически гидрофобные поверхности, обладающие выраженнымрельефом. Благодаря такому сочетанию на границе между жидкостью иповерхностью может образовываться устойчивая газовая прослойка, чтоприводит к появлению уникальных смачивающих и гидродинамическихсвойств. Такое состояние поверхности называется состоянием Касси, вотличие от состояния Венцеля, при котором все неровности поверхностизаполняются жидкостью. Эти поверхности оказались перспективнымидляразличныхприложений:ихиспользуютдлясозданияводо-отталкивающих материалов, при разработке систем самоочистки иустройств «лаборатория-на-чипе» для химического анализа и синтеза.При этом одной из актуальных задач является исследование влиянияанизотропии и геометрии супергидрофобной текстуры на статическое идинамическое поведение жидкости: смачивание анизотропных супергидрофобных поверхностей практически не изучено, а для гидродинамическихсвойств существует лишь теоретические модели и небольшое количествоэкспериментальных работ.С точки зрения смачивания важными свойствами являются устойчивость состояния Касси и гистерезис краевого угла — разницамежду максимальным наблюдаемым краевым углом (углом натекания)и минимальным (углом оттекания).

В большинстве работ равновесныйкраевой угол и энергетическое состояние гетерогенной межфазнойграницы определяются уравнением Касси: cos θ∗ = −1 + φтв (1 + cos θЮ ),где θЮ — краевой угол Юнга на плоской поверхности того же химическогосостава, что и твердые участки контакта [1]. Однако на анизотропнойсупергидрофобной поверхности отклонения от равновесного значениямогут быть достатчно большими. С точки зрения течения жидкостиключевым параметром является длина скольжения, которая определяетгидродинамические граничные условия.Систематическое исследование свойств супергидрофобных текстурдаст возможность для проверки существующих на данный моменттеоретических моделей и послужит основой для разработки новых методов3управления движением жидкости с использованием супергидрофобныхматериалов.Исследования поддержаны приоритетной программой фундаментальных исследований ОХНМ РАН (проекты «“Интеллигентный” дизайнсупергидрофобных полимерных текстур для электрокинетических насосови микрофлюидных миксеров» (2012 г.) и «Супергидрофобные полимерныетекстуры для микро- и нанофлюидики» (2013 г.), руководитель —д.ф.-м.н.

О. И. Виноградова); программой РФФИ (проект 15-01-03069«Гидродинамические течения и транспорт частиц в анизотропныхсупергидрофобныхмикроканалах»(2015–2017г.),руководитель—д.ф.-м.н. О. И. Виноградова); премией имени В. А. Кистяковского(2014 г.); грантом фонда некоммерческих программ «Династия» в рамкахпрограммы поддержки аспирантов и молодых ученых без степени (2015 г.).Цель работы заключается в исследовании смачивания и гидродинамических свойств анизотропных супергидрофобных поверхностей, атакже разработке и апробации новых принципов разделения частиц вмикроканалах c анизотропными супергидрофобными стенками.Достижение поставленной цели диссертационной работы предполагаетрешение следующих основных задач:1.

Исследование смачивания анизотропных супергидрофобных текстур,в том числе механизмов гистерезиса краевого угла и устойчивостисупергидрофобного состояния Касси.2. Исследование гидродинамических свойств анизотропных супергидрофобных поверхностей с помощью атомно-силовой микроскопии икомпьютерного моделирования.3. Изучение взаимодействия сферических микрочастиц с анизотропнойсупергидрофобной стенкой в тонком канале и разработка методаразделения таких частиц по размерам.Научная новизна.1.

В диссертационной работе предложена теоретическая модель дляописания гистерезиса краевого угла анизотропных супергидрофоб4ных текстур с учетом механизмов движения жидкости вблизилинии трехфазного контакта при натекании и оттекании, котораяподтверждается экспериментальными данными.2. Впервые предложена модель перехода между состоянием Касси исостоянием Венцеля для широкого диапазона значений доли контакта«жидкость-газ» на межфазной границе с учетом влияния энергиилинии трехфазного контакта.3. В результате экспериментального исследования и компьютерногомоделирования найдена зависимость эффективной длины скольжения от геометрии супергидрофобной текстуры и расстояния междуповерхностями, ограничивающими течение жидкости. Предложенметод количественного измерения эффективной длины скольженияна анизотропных супергидрофобных поверхностях и ее зависимостиот доли контакта «жидкость-газ» на межфазной границе с помощьюатомно-силовой микроскопии.4.

Разработанычастицпринципымикронногонепрерывногоразмеравпоперечногомикроканалесразделенияанизотропнойсупергидрофобной текстурой.Практическаязначимостьработы.Результаты,полученныевдиссертационной работе, могут быть использованы для рациональногодизайна анизотропных супергидрофобных поверхностей для различныхинженерных задач. Помимо этого, данные о взаимодействии сферическихчастиц с анизотропной супергидрофобной поверхностью являются основойдля метода определения эффективной длины скольжения супергидрофобной поверхности с помощью метода атомно-силовой микроскопии.Результаты,полученныедлямикроканаловссупергидрофобнымистенками, свидетельствуют о перспективности практического примененияанизотропных супергидрофобных материалов в микрофлюидных устройствах для разделения коллоидных объектов различной природы, а такжеопределяют диапазон условий, при которых возможно использованиетаких материалов.5Основные положения, выносимые на защиту:1.

Модель гистерезиса краевого угла для анизотропных супергидрофобных микротекстур, подтвержденная экспериментально.2. Количественное описание условий и механизмов перехода изсостояния Касси в состояние Венцеля для «разреженных» и«концентрированных» анизотропных текстур.3. Результаты экспериментального и компьютерного исследованиязависимости гидродинамического сопротивления и эффективнойдлины скольжения таких поверхностей от доли контакта «жидкостьгаз» на межфазной границе и расстояния между стенками канала.4. Разработанный экспериментальный метод разделения сферическихчастиц в микроканалах с использованием анизотропной супергидрофобной микротекстуры.Публикации и апробация работы.

По материалам диссертационнойработы опубликовано 7 статей и 6 тезисов всероссийских и международныхконференций. Результаты настоящего исследования были представлены наследующих научных конференциях:1. VI Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭРАН «Физикохимия–2011», Москва, 1–30 ноября 2011;2. VII Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭРАН «Физикохимия–2012», Москва, 13–16 ноября 2012;3. «Nanoimprint and Nanoprint Technology», Барселона, Испания, 21–23октября 2013;4. VIII Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭРАН «Физикохимия–2013», Москва, 11–13 ноября 2013;5. IX Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭРАН «Физикохимия–2014», Москва, 1–5 декабря 2013;6. Международная научная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых «Ломоносов–2015», Москва 13–17 апреля 2015;67.