Functional surfaces by means of nanoimprint lithography techniques

Abstract

Diferentes funcionalidades pueden ser obtenidas en diversas superficies a través de topografía en lugar de química, inspirándose en la naturaleza. El principal objetivo de esta tesis es la investigación de la litografía de nanoimpresión (NIL) como una técnica de fabricación factible para modificar superficies y así alterar sus propiedades físicas, utilizándolas para aplicaciones superhidrofóbicas y oleofóbicas. A lo largo de esta tesis una técnica derivada de la nanoimpresión, capaz de imprimir con cero capa residual, fue desarrollada. Esta novedosa técnica de impresión se puede adaptar para crear patrones sobre superficies con distintas formas, permitiéndonos realizar estructuras jerárquicas en tres dimensiones (3D) con diferentes combinaciones de micro y nanoestructuras. Demostramos que las técnicas de fabricación desarrolladas en esta tesis son adaptables a los procesos industriales de facturación, permitiendo así su aplicación en el desarrollo de superficies funcionales. Las estructuras tridimensionales producidas en esta tesis fueron realizadas usando métodos de replicación industrial, tales como electrodeposición o moldeo por inyección. Además, varios materiales fueron investigados en los que estas estructuras en 3D se pudieron reproducir. Nuestro proceso nos permite producir superficies superhidrofóbicas de una forma controlada, abriendo el camino hacia la producción industrial de superficies plásticas funcionales. En nuestros experimentos conseguimos un ángulo de contacto de 170 o con una histéresis de 4 o sin la necesidad de ningún tratamiento químico adicional. Los efectos dinámicos fueron medidos en estas superficies, obteniendo excelentes propiedades autolimpiables, así como una buena robustez antes impacto de gotas. El preciso control sobre nuestro proceso de fabricación nos permitió realizar superficies híbridas con propiedades de mojado inducidas. Se realizaron superficies jerárquicas que resultaron en una doble funcionalidad. Concretamente, nuestras estructuras presentaron tanto el estado de “lotus” como el de “petal” cuando se cambiaron las condiciones de deposición de las gotas, sin ninguna necesidad de modificar la superficie. La gran diferencia entre las dos presiones capilares ejercidas por las micro y nanoestructuras fue el factor que nos permitió controlar la adhesión de dichas gotas. A pesar de la percepción de que la litografía de nanoimpresión no es adecuada para imprimir superficies que puedan sobresalir (“overhanging”), en esta tesis probamos que a través de litografía de nanoimpresión asistida por ultravioleta podemos realizar estructuras de tipo “seta”. Estas structuras fueron fabricadas a través de un novedoso proceso de electrodeposición, consistente en un único paso. Estas estructures fueron replicadas en una resina comercial que, en combinación con un post-tratamiento químico, exhiben propiedades amfifóbicas (repeliendo tanto agua como aceites). Se realizó un análisis de las características de mojado de estas estructures mediante el uso de líquidos que poseyeran diferentes energías superficiales. La energía superficial crítica para conseguir la oleofobicidad fue demostrada experimentalmente.

Different surface functionalities can be achieved by means of topography instead of chemistry, based on inspirations from nature. The main objective of this thesis is the investigation of Nanoimprint Lithography (NIL) as a feasible fabrication technique to modify both organic and inorganic surfaces to alter their physical properties and utilize them for superhydrophobic and oleophobic applications.

During this thesis a modified nanoimprint technique, capable of imprinting with zero residual layer was developed. This novel imprint based technique is adaptable to pattern over free form surfaces, allowing us to realize tailored three dimensional (3D) hierarchical micro and nanostructured surfaces.

We demonstrate that the fabrication techniques developed in this thesis, are adaptable to industrial manufacturing process, allowing their application on the development of functional surfaces. The produced 3D hierarchical surfaces were realized using fully industrial replication methods such as electroplating and injection molding techniques. Moreover, various materials have been tested into which the 3D hierarchical structured were replicated. Our manufacturing approach allowed us to reproduce our superhydrophobic surfaces in a controlled manner opening the path to high volume manufacturing of functional plastic components and surfaces.

Within our experimental findings we achieved a static contact angle value of 170 o with a hysteresis of 4 o without the need of any additional chemical treatment. Dynamic effects were measured on the produced surfaces, obtaining remarkable self-cleaning properties, as well as excellent robustness over impacting droplets.

The precise control of the developed fabrication technique allowed us to realize hybrid hierarchical patterned surfaces with tunable wetting properties. Hierarchical surfaces were realized resulting in a dual state functionality. In particular, our structured surfaces exhibit both “lotus” and “petal” effect when varying the deposition conditions of the water droplets, without the need of any modification of the surface. The great difference between the capillary pressures exerted by the micro and nanostructures resulted in a tailored adhesion of the water droplets. The low capillary pressure induced by the microstructures and the high capillary pressure observed by the nanostructures, allowed to achieve a controlled dynamic effect, enabling different wetting states on the same hybrid surface.

Despite the perception that NIL is not suitable for direct imprinting surfaces which contain overhanging structures, within this thesis we prove that ultraviolet light assisted nanoimprint lithography (UV-NIL) is a suitable technique to realize mushroom-like structures. These 3D structures, which contained overhanging features, were fabricated by a novel one-step up-plating process. The structures were successfully replicated in a commercial UV curable resist material, that, in combination with a chemical post treatment, exhibited amphiphobic (both hydrophobicity and oleophobicity) properties. Wetting analysis of the produced 3D surface was performed using a variety of liquids possessing different surface tensions. The critical surface tension for achieving oleophobicity was established experimentally.