Ηλεκτροχημική σύνθεση βιομιμητικών, μικρο/νανο δομημένων υπερ-υδρόφοβων υμενίων

Τόπκα, Κωνσταντίνα Χριστίνα; Topka, Konstantina Christina

dc.contributor.author	Τόπκα, Κωνσταντίνα Χριστίνα	el
dc.contributor.author	Topka, Konstantina Christina	en
dc.date.accessioned	2017-07-27T08:16:20Z
dc.date.available	2017-07-27T08:16:20Z
dc.date.issued	2017-07-27
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45393
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14140
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Βιομιμητικά	el
dc.subject	Υπερ-υδροφοβικότητα	el
dc.subject	Biomimetic	en
dc.subject	Εναποθέσεις	el
dc.subject	Hydrophobic	en
dc.subject	Super-hydrophobicity	en
dc.subject	Depositions	en
dc.subject	Υδροφοβικότητα	el
dc.title	Ηλεκτροχημική σύνθεση βιομιμητικών, μικρο/νανο δομημένων υπερ-υδρόφοβων υμενίων	el
dc.title	Electrochemical synthesis of biomimetic, micro/nano structured, super-hydrophobic thin films	en
dc.contributor.department	Εργαστήριο Φυσικοχημείας και Εφαρμοσμένης Ηλεκτροχημείας	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ηλεκτροχημεία	el
heal.classification	Επιστήμη Υλικών	el
heal.classification	Φυσικοχημεία	el
heal.classification	Νανοτεχνολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-07-04
heal.abstract	Στην παρούσα εργασία μελετάται η σύνθεση υπερ-υδρόφοβων υμενίων πάνω σε βιομιμητικά, αγώγιμα υποστρώματα χρυσού, με σκοπό την εκμετάλλευση της δυνατότητας απώθησης νερού που έχουν διάφορες φυσικές υδρόφοβες επιφανειακές δομές, όπως αυτές των φύλλων φυτών, χάρις στην δομή που παρουσιάζουν στην κλίμακα των μm ή και nm. Συγκεκριμένα μελετάται η υδρόφοβη συμπεριφορά επικαλύψεων δύο μυριστικών αλάτων, και η βελτίωση της συμπεριφοράς αυτής, όταν η εναπόθεσή των συγκεκριμένων αλάτων γίνεται πάνω σε βιομιμητικά υποστρώματα, σε αντίθεση με τις κοινές επιφάνειες μετάλλων. Η σύνθεση των εν λόγω υπερ-υδρόφοβων υμενίων μυριστικών αλάτων γίνεται με καθοδική ηλεκτροχημική εναπόθεση, η οποία υλοποιείται σε διάταξη δύο ηλεκτροδίων με χρήση πηγής συνεχόμενου ρεύματος. Τα δυναμικά που εφαρμόζονται είναι της τάξης των 30V, ενώ ως ηλεκτρολυτικά διαλύματα χρησιμοποιούνται δύο αιθανολικά διαλύματα: Το πρώτο είναι ένα αιθανολικό διάλυμα μυριστικού οξέος και χλωριούχου λανθανίου, ενώ το δεύτερο αποτελείται από αιθανολικό διάλυμα μυριστικού οξέος και χλωριούχου μαγγανίου. Στο πρώτο μέρος της εργασίας εξετάζεται η ικανότητα των συγκεκριμένων αιθανολικών διαλυμάτων να δημιουργούν υδρόφοβες δομές πάνω σε μεταλλικά υποστρώματα. Μέσω καθοδικής ηλεκτροχημικής εναπόθεσης αναπτύσσονται επιτυχώς υδρόφοβα υμένια μυριστικού λανθανίου και μυριστικού μαγγανίου πάνω σε μεταλλικά δοκίμια χαλκού, με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Στην συνέχεια μελετάται η επίδραση της επεξεργασίας του υποστρώματος στην ποιότητα των εναποθέσεων και στην γωνία επαφής. Επιπλέον, εξετάζονται με μία σειρά πειραμάτων οι βέλτιστες συνθήκες εναπόθεσης, όπως ο χρόνος και το επιβαλλόμενο δυναμικό, καθώς και η επιρροή των παραγόντων αυτών στην γωνία επαφής και τη συνάφεια. Από την παραπάνω μελέτη των εναποθέσεων πάνω σε χαλκό, προκύπτει ότι ο σχηματισμός υμενίων με υδρόφοβες ιδιότητες αρχίζει ήδη από τα πρώτα λεπτά της ηλεκτρόλυσης, ενώ όσο αυξάνει ο χρόνος, η επιφάνεια του υποστρώματος καλύπτεται πληρέστερα και η εναπόθεση διατηρεί τις υδρόφοβες ιδιότητές της. Επίδραση στο ρυθμό σχηματισμού και την ποιότητα της εναπόθεσης, πέραν από το χρόνο ηλεκτρόλυσης, έχει και το εφαρμοζόμενο δυναμικό. Από τα πειράματα που αναφέρθηκαν προκύπτει επιπλέον ότι ο συνδυασμός συγκεκριμένων τιμών χρόνου εναπόθεσης και δυναμικού παίζει σημαντικό ρόλο στην συνάφεια των εναποθέσεων μαγγανίου, οδηγώντας σε ελεγχόμενες και ρυθμιζόμενες ιδιότητες. Συγκεκριμένα παρατηρήθηκε ότι η συνάφεια μεταξύ υποστρώματος και νερού μπορεί αυξηθεί και να ελεγχθεί με αύξηση του δυναμικού και του χρόνου εναπόθεσης σε υποστρώματα χαλκού, ενώ είναι επιπλέον δυνατό να εξαλειφθεί τελείως, όταν το υπόστρωμα έχει βιομιμητική δόμηση. Έπειτα από την διαπίστωση της επίδρασης της κατεργασίας του υποστρώματος στην ποιότητα των υδρόφοβων εναποθέσεων, όπως αυτή προέκυψε από τα προηγούμενα πειράματα, διερευνήθηκε η επίδραση της επιφανειακής τραχύτητας με εν γένει υδρόφοβη συμπεριφορά. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας εξετάζονται βάσει αυτού οι δομές διαφόρων υδρόφοβων βιολογικών δειγμάτων στο οπτικό μικροσκόπιο, και μελετάται η επιφανειακή τους δομή ως προς την ομοιομορφία της και την καταλληλότητά της ως υποστρώματα για ανάπτυξη υδρόφοβων υμενίων. Πιο συγκεκριμένα εξετάζονται βιολογικά δείγματα, όπως φύλλα και πέταλα φυτών, και επιλέγονται, βάσει της μεγαλύτερης γωνίας επαφής, τα καταλληλότερα από αυτά: η Aloe b., Cercis s. και Echeveria r.. Η αναπαραγωγή της επιφανειακής μικροδομής των επιλεγμένων βιολογικών δειγμάτων γίνεται με αποτύπωσή της αρνητικής επιφανειακής δόμησής τους σε μία γέλη ακετόνης-οξικής κυτταρίνης. Με μηχανικό διαχωρισμό της μεμβράνης κυτταρίνης από το αρχικό βιολογικό δείγμα λαμβάνεται το «καλούπι» της επιφανειακής δομής του αρχικού βιολογικού δείγματος. Η θετική μικροδομή λαμβάνεται έπειτα από επιχρύσωση της μεμβράνης κυτταρίνης, μέχρι δημιουργίας στρώματος χρυσού πάχους 70-100nm. Το στρώμα χρυσού διαχωρίζεται προσεκτικά από την κυτταρίνη, αποτελώντας ένα αυτοτελές βιομιμητικό αντίγραφο της αρχικής επιφάνειας. Με χρήση οπτικού μικροσκοπίου διαπιστώνεται ότι η επιφανειακή δομή των αρχικών βιολογικών δειγμάτων έχει αποτυπωθεί επιτυχώς τόσο στην μεμβράνη κυτταρίνης, όσο και το επακόλουθο βιομιμητικό στρώμα χρυσού. Στο τρίτο μέρος της εργασίας, τα έτοιμα και διαχωρισμένα στρώματα χρυσού υφίστανται ηλεκτροχημική εναπόθεση λεπτών υμενίων μυριστικού λανθανίου και μαγγανίου. Μελετάται συγκεκριμένα η κάθε εναπόθεση ξεχωριστά, και εξετάζεται η επίδραση των διαφορετικών βιομιμητικών υποστρωμάτων χρυσού στην γωνία επαφής και την συνάφεια κάθε επικάλυψης. Τα τελικά δείγματα υπερ-υδρόφοβων βιομιμητικών υμενίων εξετάζονται ως προς την δομή, τις ιδιότητές, και τη σύστασή τους σε οπτικό μικροσκόπιο και μικροσκόπιο σάρωσης ηλεκτρονίων (SEM). Διαπιστώνεται ότι παρουσιάζουν ιεραρχική επιφανειακή δόμηση, με εμφανείς μικρο/νανο δομές. Επιπλέον τεκμηριώνεται η υπερ-υδρόφοβη συμπεριφορά των υμενίων με μετρήσεις γωνίας επαφής, όπως και η βελτίωση της συμπεριφοράς αυτής σε σχέση με τα μη βιομιμητικά δείγματα εναποθέσεων σε χαλκό. Στην συνέχεια μελετάται η συμπεριφορά των δειγμάτων στην διάβρωση σε διάλυμα χλωριούχου νατρίου 3.5% με χρήση φασματοσκοπίας ηλεκτροχημικής εμπέδησης. Επιπλέον εξετάζεται η ανθεκτικότητα των υμενίων σε ακραία όξινα και βασικά περιβάλλοντα για 48 ώρες, καθώς και η μεταβολή της γωνίας επαφής έπειτα από έκθεση δοκιμίων στον ατμοσφαιρικό αέρα για ένα χρονικό διάστημα 6 μηνών. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι παρουσία ιεραρχικών μικρο/νανο δομών πάνω στην επιφάνεια του μετάλλου βοηθά την αντίσταση του υποστρώματος στην διάβρωση, μειώνοντας τη διαβροχή του. Ο τελικός στόχος της παρούσας μελέτης επιβεβαιώνεται, με εμφανή βελτίωση της γωνίας επαφής των επικαλύψεων, όταν αυτές γίνονται πάνω σε βιομιμητικά υποστρώματα.	el
heal.abstract	The present study investigates the synthesis of ultra-hydrophobic film depositions on biomimetic gold substrates, making use of the water-repelling behavior of various natural hydrophobic surfaces, such as plant leaves, that exhibit hydrophobic properties thanks to their micro-nano surface structures. More specifically, the hydrophobic behavior of two myristate salt coatings is studied, and the improvement of this behavior to super-hydrophobic is investigated by performing deposition on biomimetic surfaces. The synthesis of said super-hydrophobic myristate films is carried out by cathodic electrochemical deposition in a two-electrode cell, using a DC source. The applied potential is of the order of 30 V, while two ethanolic solutions are used as electrolyte solutions, consisting on an ethanolic solution of myristic acid and lanthanum chloride, and an ethanolic solution of myristic acid and manganese chloride. The first part of the thesis examines the ability of the ethanolic solutions to create hydrophobic structures on metallic substrates. By using electrochemical deposition, hydrophobic lanthanum myristate and hydrophobic manganese myristate films are successfully developed on copper plates. Subsequently, the substrate’s pretreatment and its effect on deposition quality and contact angle is studied. In addition, the optimal deposition conditions, such as time and applied potential, as well as the influence of these factors on the contact angle and adhesion, are examined in a series of experiments. From the above study of myristate salt depositions on copper, it appears that the formation of films with hydrophobic properties begins as early as the first minutes of electrolysis, and as the time increases, the surface of the substrate gets covered better, while the deposition retains its hydrophobic properties. Apart from the electrolysis time, the applied potential also has a strong impact on the formation rate and the deposition’s quality. From the aforementioned experiments, it is furthermore revealed that the combination of specific deposition times and potential values plays an important role in the adhesion of manganese myristate coatings, leading to controlled and tunable properties. In particular, it has been observed that the adhesion between water and coatings on copper substrates can be increased, and controlled by increasing the applied potential and deposition time. It is also possible to completely eliminate adhesion when the substrate possesses a biomimetic structure. After assessing the effect of substrate treatment on the quality of hydrophobic depositions in the previous experiments, the effect of surface roughness with an already hydrophobic behavior is investigated. In the second part of the thesis, the surface of various hydrophobic biological specimens is observed under an optical microscope, and their surface structure is examined for its uniformity and suitability, in order to be used as substrate for the development of hydrophobic coatings. In particular, biological samples such as leaves and plant petals are selected, and the most appropriate ones are selected, namely Aloe b., Cercis s. and Echeveria r., based on their high contact angle. Reproduction of the surface microstructure of the selected biological samples is performed by imprinting their negative surface structure on a homogenous acetone-cellulose acetate solution. By mechanical separation of the cellulose membrane from the original biological sample, a scaffold of the surface structure of the original biological sample is obtained. The “positive” microstructure is obtained after gold sputtering the cellulose membrane, until a layer of gold with a thickness of 70-100nm is created. The gold layer is carefully separated from the cellulose, forming a stand-alone biomimetic copy of the original surface. Using an optical microscope, it is confirmed that the surface structures of the original biological samples has been successfully imprinted on both the cellulose membrane and the subsequent biomimetic gold film. In the third part of the present thesis, the produced stand-alone Au-films are subjected to electrochemical deposition of lanthanum myristate and manganese myristate coatings. Specifically, each deposition is studied separately, and the effect of the different biomimetic gold substrates on the contact angle and the adhesion of each coating are investigated. The surface structure, morphology and composition of the final super-hydrophobic depositions on biomimetic Au-films are examined with optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy. A hierarchical surface structure with apparent micro/nano structures is confirmed for all myristate coatings. Additionally, the super-hydrophobic behavior of the coatings is assessed with contact angle measurements, and the improvement of the lanthanum myristate deposition’s behavior from hydrophobic to super-hydrophobic, thanks to the biomimetic substrate, is confirmed. Finally, the corrosion behavior of the two coatings in a 3.5% sodium chloride solution is studied using electrochemical impedance spectroscopy. In addition, samples are exposed to ambient air for a period of 6 months and the change in their contact angle after exposure is examined. The above show that the presence of hierarchical micro/nano structures on the surface aids the substrate's resistance to corrosion, by reducing wettability. In conclusion, the objective of the present study is achieved, with a significant improvement in the coatings’ contact angles, whenever deposition is performed on biomimetic substrates.	en
heal.advisorName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.advisorName	Mpeazi-Katsioti, Margarita	en
heal.committeeMemberName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Μπεάζη-Κατσιώτη, Μαργαρίτα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	175 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true