Tunable high aspect ratio lamellar surface driven by wetting dynamics

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Constante Ibarra, Gissela Katherine:
Tunable high aspect ratio lamellar surface driven by wetting dynamics.
Bayreuth , 2025 . - 109 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Bioinspiration from nature's designs fosters innovations in technology and materials science. By mimicking nature's designs, mechanisms, and systems, science has found creative alternatives to today’s problems. This interdisciplinary approach not only advances technology but also promotes sustainable and efficient designs, where the interactions with the surfaces play an important role in the functionality of the organism or object. Understanding the interplay between surface topography and chemistry is essential in developing new surfaces and technologies, and by influencing the wetting state, one can achieve manipulation of droplets, or development of actuators. With the advent of smart materials, the potential applications for switchable surfaces in materials science have expanded. Smart materials can be used to fabricate surfaces that can switch their chemistry or physical properties to modify their wetting behavior. Understanding how water dynamics modify the topography of these smart surfaces will provide valuable insights for developing smart devices and microfluidic-controlled systems. This research aims to develop high-aspect-ratio lamellar surfaces using shape memory polymers, elucidate the impact of water droplet dynamics on tunability, and explore potential applications in smart devices. The study combines simulation modeling, experimental fabrication, and analysis using melt-electrowriting to create and examine high-resolution surfaces. Key findings include the ability of thermoresponsive materials to change shape and wetting states, and their potential in microfluidic devices and smart valves. The high-aspect-ratio lamellar surfaces composed of shape memory polymer exhibit significant deformation under water droplet dynamics. These high-aspect-ratio surfaces play a crucial role in the degree of deflection of the lamellae under external forces. For a better understanding of the tunable topography by wetting, this dissertation focuses on the interplay of mechanical properties, surface tension, and topographical surface characteristics. Publications stemming from this research demonstrate the creation of thermally controlled smart valves in microfluidic devices, light-induced deformation for precise fluid interaction control, and the role of elastocapillarity in smart surfaces. Overall, this work advances materials science by providing new insights into the fabrication and application of bioinspired surfaces, highlighting the significant potential of smart materials with shape-changing capabilities for innovative technologies such as the fabrication of smart devices.

Abstract in weiterer Sprache

Die Bioinspiration durch das Design der Natur fördert Innovationen in der Technologie und Materialwissenschaft. Durch die Nachahmung der Designs, Mechanismen und Systeme der Natur hat die Wissenschaft kreative Alternativen für die Probleme von heute gefunden. Dieser interdisziplinäre Ansatz bringt nicht nur die Technik voran, sondern fördert auch nachhaltige und effiziente Designs, bei denen die Wechselwirkungen mit den Oberflächen eine wichtige Rolle für die Funktionalität des Organismus oder Objekts spielen. Das Verständnis des Zusammenspiels zwischen Oberflächentopographie und Chemie ist für die Entwicklung neuer Oberflächen und Technologien von entscheidender Bedeutung, da es den Benetzungszustand, die Manipulation von Tröpfchen oder die Entwicklung von Aktuatoren beeinflusst. Mit dem Aufkommen intelligenter Materialien haben sich die potenziellen Anwendungen für schaltbare Oberflächen in der Materialwissenschaft erweitert. Intelligente Materialien können zur Herstellung von Oberflächen verwendet werden, die ihre chemischen oder physikalischen Eigenschaften ändern können, um ihr Benetzungsverhalten zu modifizieren. Wenn man versteht, wie die Wasserdynamik die Topografie dieser intelligenten Oberflächen verändert, erhält man wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung intelligenter Geräte und mikrofluidisch gesteuerter Systeme. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung lamellarer Oberflächen mit hohem Aspektverhältnis unter Verwendung von Formgedächtnispolymeren, die Klärung der Auswirkungen der Wassertropfendynamik auf die Abstimmbarkeit und die Erforschung möglicher Anwendungen in intelligenten Geräten. Die Studie kombiniert Simulationsmodellierung, experimentelle Herstellung und Analyse mittels Schmelzelektrolyse, um hochauflösende Oberflächen zu erzeugen und zu untersuchen. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehören die Fähigkeit thermoresponsiver Materialien, ihre Form und ihren Benetzungszustand zu verändern, sowie ihr Potenzial für mikrofluidische Geräte und intelligente Ventile. Die lamellaren Oberflächen mit hohem Aspektverhältnis, die aus Formgedächtnispolymeren bestehen, weisen eine erhebliche Verformung unter der Dynamik von Wassertröpfchen auf. Diese Oberflächen mit hohem Aspektverhältnis spielen eine entscheidende Rolle für den Grad der Ablenkung der Lamellen durch äußere Kräfte. Um die durch Benetzung einstellbare Topographie besser zu verstehen, konzentriert sich diese Dissertation auf das Zusammenspiel von mechanischen Eigenschaften, Oberflächenspannung und topographischen Oberflächenmerkmalen. Die aus dieser Forschung hervorgegangenen Veröffentlichungen zeigen die Schaffung thermisch gesteuerter intelligenter Ventile in mikrofluidischen Geräten, die lichtinduzierte Verformung zur präzisen Steuerung von Flüssigkeitsinteraktionen und die Rolle der Elastokapillarität in intelligenten Oberflächen. Insgesamt bringt diese Arbeit die Materialwissenschaft voran, indem sie neue Einblicke in die Herstellung und Anwendung von bioinspirierten Oberflächen liefert und das bedeutende Potenzial intelligenter Materialien mit formverändernden Fähigkeiten für innovative Technologien wie die Herstellung intelligenter Geräte hervorhebt.