Uusi menetelmä antaa ennätystarkan kuvan vettähylkivistä pinnoista

Tekniikka on tuhat kertaa tarkempi kuin parhaat nykyiset kastumisominaisuuksien mittaamiseen käytetyt menetelmät.

Kun vesi joutuu kosketuksiin superhydrofobisen eli erittäin vettähylkivän pinnan kanssa, se muodostaa pallomaisia pisaroita, jotka pyörivät helposti pois pinnalta. Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet mullistavan Scanning Droplet Adhesion Microscopy (SDAM) -mittaustekniikan, jolla voidaan tutkia entistä tarkemmin superhydrofobisten materiaalien kastumisominaisuuksia eli sitä, miten neste leviää ja käyttäytyy tietyllä pinnalla. 

”Uuden mikroskooppimme ansiosta ymmärrämme paremmin, miten pinnan mikrorakenteet vaikuttavat kastumiseen. Mittausinstrumentti pystyy havaitsemaan pintojen mikroskooppisia virheitä, jotka ilmenevät pieninä vaihteluina kastumisominaisuuksissa. Tämä on erittäin tärkeää itsepuhdistuvien sekä jäätymistä, huurtumista, korroosiota ja biologisen aineksen kertymistä estävien tuotteiden kehittämisessä, sillä niissä pienetkin viat voivat haitata koko pinnan toimintaa”, Aalto-yliopiston professori Robin Ras selittää.

Erittäin herkkä SDAM-tekniikka on tuhat kertaa tarkempi kuin parhaat nykyiset kastumisominaisuuksien mittaamiseen käytetyt menetelmät. Ne pystyvät mittaamaan pisaroiden tarttumisvoimia mikronewtonin tarkkuudella, mikä ei riitä superhydrofobisten pintojen tutkimuksessa. SDAM-tekniikalla pystytään myös mittaamaan pintojen mikroskooppisia ominaisuuksia ja epätasaisuuksia.

”Selvitimme pinnan vedenhylkivyyttä vesipisaroiden avulla niin, että mittasimme erittäin pieniä, nanonewtonien suuruisia, voimia pisaran koskettaessa pintaa ja irrotessa siltä. Teimme mittauksia näytepinnoilla millimetrin sadasosan välein, ja pystyimme näin laatimaan pinnan vedenhylkivyydestä kaksiulotteisen kuvan – tavallaan kartan sen kastumisominaisuuksista”, Aalto-yliopiston professori Quan Zhou selittää.

Tähän mennessä pintojen kastumisominaisuuksien tutkimisessa on käytetty kontaktikulman, eli vedenpinnan ja kiinteän pinnan kosketuskulman, mittaamista. Menetelmä on kuitenkin altis epätarkkuuksille erittäin vettähylkivillä pinnoilla.  SDAM:n etu on myös se, että toisin kuin kontaktikulman mittaaminen, se ei edellytä suoraa näköyhteyttä pisaran ja pinnan rajapinnalle, joten sillä voidaan mitata tekstiilien tai biologisten pintojen kaltaisia epätasaisia pintoja. SDAM-menetelmällä pystytään lisäksi tutkimaan pienten biosirujen, kemiallisten antureiden ja mikrosähkömekaanisten komponenttien ja järjestelmien mikroskooppisten toiminnallisten alueiden kastumista, mitä on vaikea tutkia perinteisillä menetelmillä.

Tutkimukseen osallistuivat tutkijat Ville Liimatainen, Maja Vuckovac, Ville Jokinen, Veikko Sariola, Matti Hokkanen, Quan Zhou ja Robin Ras.

Lisätietoa:

Artikkeli: Mapping microscale wetting variations on biological and synthetic water-repellent surfaces 

Robin Ras
Professori

Aalto-yliopisto
robin.ras@aalto.fi
p. 050 432 6633
physics.aalto.fi/smw

Quan Zhou
Professori
Aalto-yliopisto
quan.zhou@aalto.fi
p. 040 855 0311
http://eea.aalto.fi/en/research/micronanorobotics/

Artikkeli on julkaistu tänään Nature Communications -lehdessä. 

Liimatainen V., Vuckovac M., Jokinen V., Sariola V., Hokkanen M., Zhou Q., Ras R.H.A., Mapping microscale wetting variations on biological and synthetic water-repellent surfaces, Nature Communications (2017) 1798.