NANOTEXTURED SILICA SURFACES WITH ROBUST SUPER-HYDROPHOBICITY AND OMNIDIRECTIONAL BROADBAND SUPER-TRANSMISSIVITY

"Nanotextured silica surfaces with robust super-hydrophobicity and omnidirectional broadband super-transmissivity". K. -C. Park, H. J. Choi, C. -H. Chang, R. E. Cohen, G. H. McKinley, G. Barbastathis. ACS NANO. In press. DOI: 10.1021/nn301112t

Designing multifunctional surfaces that have user-specified interactions with impacting liquids and with incident light is a topic of both fundamental and practical significance. Taking cues from nature, we use tapered conical nanotextures to fabricate the multifunctional surfaces; the slender conical features result in large topographic roughness whilst the axial gradient in the effective refractive index minimizes reflection through adiabatic index-matching between air and the substrate. Precise geometric control of the conical shape and slenderness of the features as well as periodicity at the nanoscale are all keys to optimizing the multi-functionality of the textured surface, but at the same time these demands pose the toughest fabrication challenges. Here we report a systematic approach to concurrent design of optimal structures in the fluidic and optical domains, and a fabrication procedure that achieves the desired aspect ratios and periodicities with few defects, and large pattern area. Our fabricated nanostructures demonstrate structural superhydrophilicity or, in combination with a suitable chemical coating, robust superhydrophobicity. Enhanced polarization-independent optical transmission exceeding 98% has also been achieved over a broad range of bandwidth and incident angles. These nanotextured surfaces are also robustly anti-fogging or self-cleaning offering potential benefits for applications such as photovoltaic solar cells.

 El diseño de superficies multifuncionales que presenten interacciones específicas ante el impacto de líquidos y ante la luz incidente es un tema de interés fundamental y práctico. Inspirados en algunos casos que se dan en la naturaleza, se hace uso de nanotexturas cónicas afiladas para fabricar superficies multifuncionales. Las estructuras cónicas delgadas dan lugar a una amplia rugosidad topográfica, mientras que el gradiente axial en el índice de refracción efectivo minimiza las reflexiones de la luz mediante un empatamiento adiabático de índices entre el aire y el substrato. Las claves para optimizar la multifuncionalidad de la superficie texturizada son el control geométrico preciso de la forma cónica, la estrechez de las estructuras y su periodicidad nanométrica, pero al mismo tiempo estos requisitos representan fuertes retos para la fabricación. Aquí se reporta una estrategia sistemática para el diseño concurrente de estructuras óptimas en los dominios de los fluídos y de la óptica, y un procedimiento de fabricación con el que se logran las proporciones geométricas y las periodicidades deseadas, sobre una amplia superficie y con muy pocos defectos. Las nanoestructuras que aquí se reportan muestran superhidrofobicidad estructural o, en combinación con un recubrimiento químico adecuado, superhidrofobicidad robusta. Se obtuvo un aumento en la transmisión óptica, independiente de la polarización, la cual llega a exceder el 98% sobre un amplio espectro para un amplio intervalo de ángulos incidentes. Estas superficies nanotexturizadas también presentan propiedades antiempañantes o autolimpiantes robustas, lo que ofrece beneficios potenciales en aplicaciones tales como celdas solares fotovoltaicas.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn301112t