Wetting phenomena : from basic science to applications

Abstract

The study of wetting phenomena in solids is of great interest due to the multifaceted technological applications of hydrophobic, hydrophilic and oleophobic surfaces. Examples of such applications include self cleaning materials and water purifying surfaces. Besides the applications, there are still fundamental open questions concerning the transition between the wet and dry surface states, such as the existence of metastable states and their features. In this thesis we apply a theoretical approach, based on calculating the interfacial energy cost of different configurations to study wetting phenomena. We initially apply this method to predict the wetting states and contact angles of droplets placed on a specific surface; this approach guides us to select a relevant parameter set for further analysis. Then, we use a Monte Carlo simulation of the cellular Potts model, with the selected parameters, for two different purposes: the first is calculating the free energy profile of a liquid droplet deposited on a pillared surface. In this study, we show that there is only one minimum of the free energy that corresponds to the superhydrophobic wetting state while the wet state can present multiple minima. The second purpose is calculating the efficiency in separating water and oil. By analyzing different substrates, we found that the separation efficiency depends on the surface parameters. Moreover, we observe that for a droplet composed of water and oil, the water behavior can be predicted by the theoretical approach, while the oil behaves in a more complex manner, partially due to the formation of a oil film in the interface of the droplet with the air. We believe that our results may elucidate some of the open question in the field of wetting phenomena and rare events.

O estudo da fenomenologia de molhabilidade em sólidos é de grande interesse devido às múltiplas aplicações tecnológicas de superfícies hidrofóbicas, hidrofílicas e oleofóbicas. Exemplos de tais aplicações incluem materiais auto-limpantes e superfícies capazes de purificar água. Além das aplicações, ainda existem dúvidas fundamentais quanto a transição entre os estados secos e molhados da superfície, como a existência de estados metaestáveis. Nesta tese aplicamos um método teórico para estudar a fenomenologia de molhabilidade. Inicialmente aplicamos este método para prever o estado molhado e o angulo de contato de gotas colocadas sobre superfícies específicas; esta abordagem nos guia para selecionar conjuntos de parâmetros relevantes para melhor analisá-los posteriormente. Então, usamos simulações de Monte Carlo do modelo celular de Potts, com os parâmetros escolhidos, para dois objetivos: no primeiro calculamos o perfil de energia livre de uma gota depositada sobre uma superfície de pilares. Neste estudo concluímos que existe apenas um mínimo na energia livre correspondente ao estado hidrofóbico enquanto que o estado hidrofílico pode apresentar múltiplos mínimos. O segundo objetivo é calcular a eficiência de separação da mistura água e óleo. Analisando diferentes superfícies, descobrimos que a eficácia de separação depende dos parâmetros da superfície. Além disso, observamos que, para uma gota composta de ambos líquidos, o comportamento da água pode ser previsto pelo método teórico, enquanto que o óleo se comporta de uma maneira complexa, parcialmente devido à formação de um filme de óleo na interface da gota com o ar. Acreditamos que nossos resultados possam esclarecer algumas das questões em abertos na área de molhabilidade e eventos raros.