Wettability control through independent tuning of micro and nano scale features of self-assembled hierarchical material

Increasingly more frequently nanotechnologies are employed in several fields of science and technology in order to fabricate functional materials with specific properties. Superhydrophobicity is one of these properties: it is the capacity that a material has to repel water or other liquids completely or almost completely. If we look at the numerous examples present in nature, such as the lotus leaf, scientists and engineers have realized th at a hierarchic micro and nanometric structure together with a low surface energy allow to obtain superhydrophoic surfaces. Applications of such surfaces are several, as shown by the increasing number of scientific publication about this issue. Self-cleaning glasses and clothes, microfluidic systems and anti-icing surfaces are among the main applications where such surfaces could be employed. Superhydrophobic surfaces considered in this thesis work are fabricated by Pulsed Laser Deposition (PLD) of TiO 2 in order to obtain hierarchic structures with high roughness factor and surface ratio. The substrate so produced, intrinsically superhydrofilic due to its high surface energy, is sensitised by being immersed in a solution of perfluorononanoic acid. According to the deposition pressure, the thickness of the nanostructured film, the molar concentration of the solution and the immersion time of the models, morphologies (and, consequently, performances) that can be obtain are different. The present thesis aims to take control of the fabrication process, by determining the parameters that govern the behaviour of the surfaces. In order to estimate the dependence of superhydrophobic properties on structural and morphological characteristics of the surfaces have been performed surfaces analysis by means of SEM and AFM images and XRD spectra. Moreover, analyses through UV-Vis spectroscopy have been carried out to determine optical properties.

Sempre più frequentemente le nanotecnologie vengono impiegate nei più svariati campi della scienza e della tecnica al fine di ottenere materiali funzionali con speciali proprietà. Una di queste è la superidrofobicità, ovvero la capacità di un materiale di repellere totalmente o quasi l’acqua e/o altri liquidi. Prendendo spunto da molteplici esempi presenti in natura, come la foglia del fiore di Loto, scienziati ed ingegneri si sono accorti che una struttura gerarchica micro e nanometrica unita ad una bassa energia superficiale consentono di ottenere superfici superidrofobiche. Le applicazioni di tali superfici sono svariate, come dimostra il crescente numero di pubblicazioni scientifiche su questo tema. Vetri e vestiti autopulenti, sistemi di microfluidica e sensoristica biomedica e superfici anti-icing sono tra le principali applicazioni in cui tali superfici potrebbero trovare impiego. La realizzazione delle superfici superidrofobiche oggetto di questa tesi avviene depositando TiO2 mediante PLD (Deposizione a Laser Pulsato) al fine di ottenere strutture gerarchiche con elevato roughness factor e surface ratio. Il substrato prodotto, di per sé superidrofilico a causa dell’elevata energia superficiale, viene quindi sensitizzato immergendolo in una soluzione di acido perfluorononanoico in etanolo. A seconda della pressione di deposizione, dello spessore del film nanostrutturato, della concentrazione molare della soluzione e del tempo di immersione dei campioni, le morfologie (e quindi le performance) che si ottengono sono diverse. La presente tesi mira ad ottenere il controllo del processo di fabbricazione, individuando i parametri che governano i l comportamento delle superfici. Al fine di valutare la dipendenza delle proprietà superidrofobiche dalle caratteristiche strutturali e morfologiche delle superfici, è stata effettuata una caratterizzazione comprensiva di misure di angolo di contatto statico e dinamico e analisi morfologiche mediante immagini SEM e AFM e analisi XRD. Allo scopo di determinare anche le proprietà ottiche sono state effettuate anche analisi tramite spettrometria UV-Vis.