Wetting on Anisotropically Patterned and Rough Surfaces

Since Young in 1805 described in words the trigonometric relations between the contact angle and the forces acting on a droplet in mechanical equilibrium on a sulid surface, many advances in the description of several aspects of wetting behavior have been done. Besides the recent years developements in the field of micropatterning allowed the production surfaces with chemical and geometrical regular patterns, which make possible a direct test of theoretical models. Beyond the patterns characterized by a global isotropic disposition if the surface asperities and heterogeneities, patterns constituted of series of parallel stripes or reliefs have been produced, introducing an anisotropic element in the substrate. Recently many works focused on the characterization of the anisotropic behavior of droplets on those surfaces. However there is not a complete theory describing the anisotropy of droplets in these conditions. Furthermore most part of previous works study the anisotropy on regular patterns made by micrometric channels. To give a general description of those aspects of the anisotropic behavior which are independent by the nature of the micrometric regular pattern, and to focus on the influence of different wettabilities, in this thesis we studied the anisotropic wetting of droplets sitting on the top of single posts, characterized by flat surfaces and sharp corners, and made with different materials. The anisotropy was quantified by measuring the contact angles and base elongations in the two principal symmetry axis. Measurements were obtained by a homemade apparatus, and the analysis software has been entirely developed in this thesis. The main finding is that the contact angle difference and the base eccentricity show the same relation within the experimental errors regardless of surface wettability. These measurements were complemented by numerical simulations with the Lattice Boltzmann method, which showed a good agreement with experimental results. We also developed a simple geometrical model, valid for small eccentricities which reproduces qualitatively experimental and numerical data. In addition, during this thesis I characterized the wetting properties of thin (isotropic) films of nanostructured titania, and related them to the morphological parameters of the substrates.

Da quando Young nel 1805 descrisse a parole le relazioni trigonometriche tra l’angolo di contatto e le forze agenti su una goccia in equilibrio meccanico su una superficie solida sono stati ottenuti molti progressi nella descrizione di vari aspetti del wetting. Inoltre i progressi degli ultimi anni nel campo della microlavorazione hanno permesso di ottenere in modo semplice superfici con pattern chimici e geometrici assai regolari, su cui è stato possibile testare sperimentalmente le ipotesi dei vari modelli teorici. Oltre a tutti i pattern caratterizzati da una disposizione globalmente isotropa delle asperità, sono stati prodotti pattern costituiti da una serie di strisce e rilievi paralleli gli uni agli altri, introducendo così un elemento anisotropo nel substrato. Negli ultimi anni molti lavori sono stati rivolti alla caratterizzazione del comportamento anisotropo delle gocce su tali substrati. Tuttavia ad oggi non esiste una teoria completa che descriva l’anisotropia di gocce in queste condizioni. Inoltre la maggior parte dei lavori precedenti riguarda lo studio dell’anisotropia su pattern regolari costituiti da canali micrometrici. Per fornire una descrizione generale di quegli aspetti del comportamento anisotropo che sono indipendenti dai dettagli del pattern regolare su scala micrometrica, e per evidenziare l’influenza di diverse bagnabilità della superficie, in questa tesi abbiamo studiato il wetting anisotropo di gocce depositate su singoli rilievi, caratterizzati da una supervicie piana e spigoli vivi, e costruiti con diversi materiali. L’anisotropia è stata quantificata misurando gli angoli di contatto e le dimensioni della base delle gocce nei due principali assi di simetria. Le misure sono state ottenute con un apparato fatto in casa, e il software di analisi è stato interamente sviluppato durante questa tesi. Il risultato principale consiste nel fatto che la differenza tra gli angoli di contatto nelle due direzioni e l’eccentricità di base mostrano la stessa relazione all’interno degli errori sperimentali, indipendentemente dalla bagnabilità del substrato. Queste misure sono state completate tramite simulazioni numeriche per mezzo del metodo Lattice Boltzmann, e che hanno mostrato un buon accordo con i risultati sperimentali. Inoltre abbiamo formulato un semplice modello geometrico, valido per piccoli, che riproduce qualitativamente sia i risultati sperimentali che quelli numerici. Inoltre in questa tesi ho caratterizzato la bagnabilità di sottili film (isotropici) di titania nanostrutturata, mettendola in relazione con le proprietà morfologiche dei substrati stessi.