Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Sakari Lepikko

Väitöskirjan nimi: Droplet friction on heterogeneous surfaces

Tohtoriopiskelija: Sakari Lepikko
Vastaväittäjä: Adjunct Prof. Patrik Hoffmann, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Sveitsi
Kustos: Prof. Robin Ras, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Kitka on merkittävä tekijä ympäröivässä maailmassamme. Usein kitka mielletään kahden kiinteän kappaleen välisen liikkeen estäjäksi tai hidastajaksi, mutta kitkaa esiintyy myös mm. kiinteän ja nesteen rajapinnalla, esimerkiksi hidastamassa laivan liikettä tai pisaroiden jäädessä kiinni pintoihin. Yleisyydestään huolimatta kiinteän ja nesteen rajapinnalla tapahtuvan kitkan syntymekanismeja ei tunneta tarkasti. Tässä väitöstyössä perehdytäänkin erinäisiin kitkan syntymekanismeihin kiinteän ja nesteen rajapinnalla, ja mitataan niiden suuruutta. Kerätyn tiedon avulla voidaan paremmin huomioida kitkan vaikutus, kun suunnitellaan uusia pintamateriaaleja ja -rakenteita sovelluksia varten, kuten laivan runkoihin tai pinnoitteiksi erilaisille lasipinnoille. 

Väitöskirjan yksi päätuloksista näyttää, kuinka pinnan epätasalaatuisuus molekyylitasolla vaikuttaa muodostuvaan kiinteän ja nesteen väliseen kitkaan. Tutkimus tehtiin luomalla erittäin tasalaatuiselle piipinnalle pinnoitteita eriasteisilla peittävyyksillä luoden eriasteista epätasalaatuisuutta. Lopputuloksena kitkan havaittiin olevan suurimmillaan, kun pinnoitteen peittävyys oli noin puolet (suuri epätasalaatuisuus), ja pienimmillään, kun pinnoitteen peittävyys oli pieni tai suuri (pieni epätasalaatuisuus). Tämän perusteella sovelluksissa kiinteän ja nesteen välistä kitkaa pystytään säätämään vaikuttamalla pinnan tasalaatuisuuteen esimerkiksi pinnoitteiden avulla. 

Toisena aiheena on ollut tutkia veden kitkaa niin kutsuttujen superhydrofobisten pintojen päällä. Näille melko harvinaisille pinnoille on ominaista, että vesi jää niiden mikrokokoluokassa olevan pintakarheuden päälle, eli kastelee pinnan vain osittain. Tyypillistä tällaisille pinnoille on, että pisarat valuvat niiltä helposti pois. Tutkimuksessa havaittiin, että pisaroiden kitka riippuu voimakkaasti siitä, kuinka suuri osa pisaran pohjasta koskettaa kiinteää pintaa: mitä suurempi alue on kiinni vedessä, sitä suurempi on kitka, ja tälle pystyttiin määrittämään laskukaava. Lisäksi kitkan havaittiin riippuvan veden liukumisnopeudesta: mitä nopeammin vesi liikkuu pinnalla, sitä vähemmän se ehtii koskettaa karkeuden huippukohtia, jolloin kosketusala ja kitka jäävät pienemmiksi. Mikäli karkeuden korkeusvaihtelut ovat pieniä, niin tällaista kitkan vaihtelua ei havaita eri nopeuksilla. Nämä havainnot auttavat superhydrofobisten pintojen suunnittelussa erilaisia käytännön sovelluksia varten esimerkiksi lääketieteellisissä sovelluksissa tai sensoriteknologiassa.

Avainsanat: kitka, kiinteän ja nesteen rajapinta, superhydrofobisuus, pinnoitteet

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Yhteystiedot:

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52