Anti-fouling surfaces based on polymer-infiltrated ZnO nanowires via capillary rise infiltration
Surfaces antisalissures à base de nanofils de ZnO infiltrés de polymère par infiltration par remontée capillaire
Résumé
Liquid-repellent surfaces provide useful functions for various coating applications. However, it remains challenging to retain the stability of such liquid repellency over time. Also, despite remarkable progress, the typical methods for making these surfaces require multiple steps and are only suitable for lab-scale fabrication. This thesis focuses on the fabrication of nanocomposites with properties designed for anti-fouling applications and with high stability in challenging conditions. Specifically, we used capillarity-based techniques for making nanocomposites with ZnO nanowires. Two capillary-based techniques are developed, inducing leaching-enabled capillary rise infiltration of uncross-linked and mobile oligomer chains from a poly(dimethylsiloxane) (PDMS) elastomer and wicking of silicone oil into the space between the ZnO nanowires. Our method enables a cost-effective and large-scale fabrication of ZnO nanowires -based liquid-repellent surfaces while maintaining precise control over the nanoscale structures. By changing the infiltrated species (PDMS or silicone oil), the surface wettability is tunable, presenting two unique types of liquid repellency (superhydrophobic or slippery). Our liquid-repellent surfaces present several useful features, such as self-cleaning, anti-icing, solvent and chemical resistance, high transparency, self-healing, and anti-biofouling properties that are particularly useful for various emerging technologies. Also, while many people have prepared SLIPS with a smooth and thick lubricant layer on the surface, our research reveals that a thick lubricant overlayer is not necessary while firmly holding lubricant within the nanostructures is the key for having a stable SLIPS surface. The approaches developed during this study are straightforward, efficient, and potentially scalable strategies to produce liquid-repellent surfaces toward a wide range of properties and applications, which also has excellent potential for scalable manufacturing. The fundamental understanding from this work can enable others to design long-lasting liquid-repellent surfaces. In addition, we also describe the ability to grow ZnO nanowires on commercial membranes (glass fiber and stainless-steel mesh) to extend the applicability of our materials for separation applications.
Les surfaces hydrofuges offrent des fonctions utiles pour diverses applications de revêtement. Cependant, il reste difficile de conserver la stabilité d'une telle répulsion des liquides dans le temps. De plus, malgré des progrès remarquables, les méthodes typiques de fabrication de ces surfaces nécessitent plusieurs étapes et ne conviennent qu'à la fabrication à l'échelle du laboratoire. Cette thèse se concentre sur la fabrication de nanocomposites avec des propriétés conçues pour des applications d’antifouling et avec une stabilité élevée dans des conditions difficiles. Plus précisément, nous avons utilisé des techniques basées sur la capillarité pour fabriquer des nanocomposites avec des nanofils de ZnO. Deux techniques capillaires sont développées, induisant une infiltration par remontée capillaire activée par lixiviation de chaînes d'oligomères mobiles et non réticulées à partir d'un élastomère de poly(diméthylsiloxane) (PDMS) et le transfert d'huile de silicone dans l'espace entre les nanofils de ZnO. Notre méthode permet une fabrication rentable et à grande échelle de surfaces hydrofuges à base de nanofils de ZnO tout en maintenant un contrôle précis sur les structures nanométriques. En changeant les espèces infiltrées (PDMS ou huile de silicone), la mouillabilité de la surface est réglable, présentant deux types uniques de répulsion des liquides (superhydrophobe ou glissante). Nos surfaces hydrofuges présentent plusieurs caractéristiques utiles, telles que l'autonettoyage, l'anti-givrage, la résistance aux solvants et aux produits chimiques, la haute transparence, l'auto-guérison et les propriétés anti-bio-encrassement qui sont particulièrement utiles pour diverses technologies émergentes. De plus, alors que de nombreuses personnes ont préparé des SLIPS avec une couche de lubrifiant lisse et épaisse à la surface, nos recherches révèlent qu'une couche de lubrifiant épaisse n'est pas nécessaire, tandis que le maintien ferme du lubrifiant dans les nanostructures est la clé pour avoir une surface SLIPS stable. Les approches développées au cours de cette étude sont des stratégies simples, efficaces et potentiellement évolutives pour produire des surfaces hydrofuges vers un large éventail de propriétés et d'applications, qui ont également un excellent potentiel pour une fabrication évolutive. La compréhension fondamentale de ce travail peut permettre à d'autres de concevoir des surfaces hydrofuges durables. En outre, nous décrivons également la capacité de faire croître des nanofils de ZnO sur des membranes commerciales (fibre de verre et maille en acier inoxydable) pour étendre l'applicabilité de nos matériaux pour les applications de séparation.
Domaines
Matériaux| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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