Study and control of drop motion on inclined surfaces

This PhD thesis collects different experimental studies in the field of wetting phenomena and open microfluidics, which analyze the behavior of liquid drops on free open surfaces. The main goal of such a research is to develop smart coatings featuring useful wetting properties (e. g. water repellent, antifogging and antireflection materials) or techniques aimed at manipulating droplets for chemical or biological applications. In particular this work considers both passive and active methods to control the statics and dynamics of drops deposited on an inclined plane and consequently subject to an external constant force, the gravity force. Among the passive techniques based on surface patterning, we investigated the adhesion properties of multiscale nano- and microstructured hairy surfaces made of polymers having different elasticity. Also, chemically patterned surfaces, formed by hydrophilic and hydrophobic regions of different shape (stripes, squares and triangles), have found to be an effective tool to passively tune drop sliding velocity. Chemically heterogeneous surfaces can affect not only sliding velocity, but also drop trajectory. To further investigate the deviation of a drop by means of a chemical pattern we considered a sample formed by only two regions featuring different wettability, i. e. a chemical step characterized by a linear interface. On the other hand, an active manipulation implies the application of an external field, as, for instance, electric, magnetic or acoustic. As active technique we considered asymmetric vibrations of the substrate, able to induce interesting and surprising dynamical behaviors: small droplets placed on a vertically oscillating inclined plane can stay pinned, slide down, but even climb up the surface against gravity. Even if the vast majority of our experiments involves ordinary liquids, in particular water and aqueous solutions, our research about sliding includes also the study of complex fluids, more precisely polymer solutions, exhibiting rheological properties (e. g. viscosity and elastic behaviors) depending on the applied stress.

Questa tesi raccoglie una serie di lavori sperimentali che si collocano nell'ambito della microfluidica aperta e dei fenomeni interfacciali di bagnamento e fondamentalmente studiano il comportamento di gocce depositate su superfici. Lo scopo principale di questo tipo di ricerca è lo sviluppo di superfici che presentino proprietà particolari, come ad esempio superfici autopulenti, antinebbia o antiriflesso, o di tecniche di manipolazione di gocce finalizzate ad applicazioni nel campo biologico o chimico. In particolare questo lavoro considera metodi attivi e passivi atti a controllare sia la statica che la dinamica di gocce poste su superfici inclinate e quindi soggette ad una forza esterna costante, la forza di gravità. Tra le tecniche passive basate sull'utilizzo di superfici strutturate sono state studiate le proprietà di adesione di superfici polimeriche geometricamente nano/microstrutturate. Inoltre, campioni chimicamente eterogenei formati da regioni idrofiliche e idrofobiche di geometria diversa (strisce, quadrati, triangoli) si sono dimostrati uno strumento efficace per la regolazione passiva della velocità di scivolamento delle gocce. Questo tipo di superfici può influire non solo sulla velocità, ma anche sulla traiettoria della goccia. Per analizzare più nel dettaglio come si può deviare una goccia è stato studiato lo scivolamento su una superficie formata da due sole regioni di diversa bagnabilità, cioè una sorta di gradino chimico. D'altra parte, un controllo attivo implica l'applicazione di un campo esterno, ad esempio elettrico, magnetico o acustico. Come tecnica attiva in questa tesi è stata considerata l'applicazione di vibrazioni asimmetriche del substrato, capaci di indurre comportamenti dinamici interessanti e sorprendenti: piccole goccioline poste su un piano inclinato che oscilla verticalmente possono non solo rimanere ferme o scivolare, ma addirittura risalire contro la forza di gravità. Anche se la maggioranza di questi esperimenti riguarda liquidi ordinari, in particolare acqua e soluzioni acquose, una parte della ricerca è stata dedicata allo scivolamento di fluidi complessi, più precisamente soluzioni polimeriche, caratterizzati da proprietà reologiche (ad esempio viscosità o effetti elastici) che dipendono dallo sforzo applicato sul fluido.