Bioinspired directional surfaces for adhesion, wetting, and transport

Advanced Functional Materials

Volumn 22, Issue 11, 2012, Pages 2223-2234

  Hancock, Matthew J ^a   Sekeroglu, Koray ^a   Demirel, Melik C ^a  

^a PENNSYLVANIA STATE UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

biomimetics; nanostructures; polymeric materials; superhydrophobic philic surfaces; surface modification

Indexed keywords

ANIMAL FUR; BIO-INSPIRED; BIRD FEATHERS; BOTTOM-UP AND TOP-DOWN; COMPUTATIONAL TOOLS; EXPERIMENTAL APPROACHES; INSECT CUTICLE; NANOSCALE FILMS; PHYSICOCHEMICAL PROPERTY; PLANT LEAVES; SUPERHYDROPHOBIC/PHILIC SURFACES; SYNTHESIS METHOD; THEORETICAL APPROACH;

ADHESION; BIOMIMETICS; NANOSTRUCTURES; POLYMERS; SURFACE PROPERTIES; SURFACE TREATMENT;

NANOTECHNOLOGY;

EID: 84861809873     PISSN: 1616301X     EISSN: 16163028     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/adfm.201103017     Document Type: Article

References (148)

1. S. Vogel, Life's Devices: The Physical World of Animals and Plants, Princeton University Press, Princeton, NJ 1988.
2. P. Reimann, Phys.Rep. 2002, 361, 57.
3. J. W. M. Bush, D. L. Hu, Annu. Rev. Fluid Mech. 2006, 38, 339.
4. S.-H. Hsu, K. Woan, W. Sigmund, Mater. Sci. Eng. R 2011, 72, 189.
5. M. K. Kwak, H.-E. Jeong, T.-I. Kim, H. Yoon, K. Y. Suh, Soft Matter 2010, 6, 1849.
6. I. R. Epstein, J. A. Pojman, An Introduction to Nonlinear Chemical Dynamics: Oscillations, Waves, Patterns, and Chaos, Oxford University Press, New York 1998.
7. B. P. Belousov, in Collection of Short Papers on Radiation Medicine for 1958, Med. Publ., Moscow, 1959, 145.
8. A. N. Zaikin, A. M. Zhabotinsky, Nature 1970, 225, 535.
9. K. Zimmermann, V. A. Naletova, I. Zeidis, V. A. Turkov, E. Kolev, M. V. Lukashevich, G. V. Stepanov, J. Magn. Magn. Mater. 2007, 311, 450.
10. S. C. Glotzer, M. J. Solomon, Nat. Mater. 2007, 6, 557.
11. P. Akcora, H. Liu, S. K. Kumar, J. Moll, Y. Li, B. C. Benicewicz, L. S. Schadler, D. Acehan, A. Z. Panagiotopoulos, V. Pryamitsyn, V. Ganesan, J. Ilavsky, P. Thiyagarajan, R. H. Colby, J. F. Douglas, Nat. Mater. 2009, 8, 354.
12. S. Daniel, M. K. Chaudhury, P.-G. de Gennes, Langmuir 2005, 21, 4240.
13. J. G. Ok, S. H. Tawfick, K. A. Juggernauth, K. Sun, Y. Zhang, A. J. Hart, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 2470.
14. a) S. Boduroglu, M. Cetinkaya, W. J. Dressick, A. Singh, M. C. Demirel, Langmuir 2007, 23, 11391
15. b) M. C. Demirel, Colloids Surf. A 2008, 321, 121.
16. E. M. Purcell, Am. J. Phys 1977, 45, 3.
17. W. Federle, J. Exp. Biol. 2006, 209, 2611.
18. T. Eisner, D. J. Aneshansley, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 6568.
19. K. Autumn, Y. A. Liang, S. T. Hsieh, W. Zesch, W. P. Chan, T. W. Kenny, R. Fearing, R. J. Full, Nature 2000, 405, 681.
20. Y. Zheng, H. Bai, Z. Huang, X. Tian, F.-Q. Nie, Y. Zhao, J. Zhai, L. Jiang, Nature 2010, 463, 640.
21. M. Prakash, J. W. M. Bush, Int. J. Nonlinear Mech. 2011, 46, 607.
22. X. Gao, L. Jiang, Nature 2004, 432, 36.
23. Y. Zheng, X. F. Gao, L. Jiang, Soft Matter 2007, 3, 178.
24. H. F. Bohn, W. Federle, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 14138.
25. I. M. Kulic, M. Mani, H. Mohrbach, R. Thaokar, L. Mahadevan, Proc. R. Soc. B 2009, 276, 2243.
26. K. Autumn, M. Sitti, Y. A. Liang, A. M. Peattie, W. R. Hansen, S. Sponberg, T. W. Kenny, R. Fearing, J. N. Israelachvili, R. J. Full, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 12252.
27. M. Kamperman, E. Kroner, A. del Campo, R. M. McMeeking, E. Arzt, Adv. Eng. Mater. 2010, 12, 335.
28. E. Arzt, S. Gorb, R. Spolenak, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100, 10603.
29. J.-H. Dirks, W. Federle, Soft Matter 2011, 7, 11047.
30. X. Q. Feng, X. Gao, Z. Wu, L. Jiang, Q. S. Zheng, Langmuir 2007, 23, 4892.
31. J. W. M. Bush, M. Prakash, D. L. Hu, Adv. Insect Physiol. 2007, 34, 117.
32. a) D. Wu, J.-N. Wang, S.-Z. Wu, Q.-D. Chen, S. Zhao, H. Zhang, H.-B. Sun, L. Jiang, Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 2927
33. b) J. Gao, Y. Liu, H. Xu, Z. Wang, X. Zhang, Langmuir 2010, 26, 9673
34. c) G. Fraenkel, F. Fallil, K. S. Kumarasinghe, Entomol. Exp. Appl. 1981, 29, 147.
35. Y.-C. Chung, G.-Y. Hess, F.-W. Yeh, H.-C. Han, C.-Y. Chen, C.-J. Lee, H.-J. Sheen, L.-J. Yang, J. Micro/Nanolithogr. MEMS MOEMS 2010, 9, 13035.
36. A. Shastry, M. J. Case, K. F. Böhringer, Langmuir 2006, 22, 6161.
37. O. Sandre, L. Gorre-Talini, A. Ajdari, J. Prost, P. Silberzan, Phys. Rev. E 1999, 60, 2964.
38. J. G. Leidenfrost, De Aquae Communis Nonnullis Qualitatibus Tractatus, Duisburg 1756.
39. G. Lagubeau, M. Le Merrer, C. Clanet, D. Quéré, Nat. Phys. 2011, 7, 395.
40. V. Jokinen, M. Leinikka, S. Franssila, Adv. Mater. 2009, 21, 4835.
41. N. A. Malvadkar, M. J. Hancock, K. Sekeroglu, W. J. Dressick, M. C. Demirel, Nat. Mater. 2010, 9, 1023.
42. R. Spohr, G. Sharma, P. Forsberg, M. Karlsson, A. Hallen, L. Westerberg, Langmuir 2010, 26, 6790.
43. T.-I. Kim, K. Y. Suh, Soft Matter 2009, 5, 4131.
44. K.-H. Chu, R. Xiao, E. N. Wang, Nat. Mater. 2010, 9, 413.
45. A. Parness, D. Soto, N. Esparza, N. Gravish, M. Wilkinson, K. Autumn, M. Cutkosky, J. R. Soc. Interface 2009, 6, 1223.
46. J. Lee, R. S. Fearing, K. Komvopoulos, Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 191910.
47. H. E. Jeong, J.-K. Lee, H. N. Kim, S. H. Moon, K. Y. Suh, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106, 5639.
48. C. Kettner, P. Reimann, P. Hänggi, F. Müller, Phys. Rev. E 2000, 61, 312.
49. a) M. Cetinkaya, N. Malvadkar, M. C. Demirel, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. 2008, 46, 640
50. b) M. C. Demirel, S. Boduroglu, M. Cetinkaya, A. Lakhtakia, Langmuir 2007, 23, 5861.
51. K. Sekeroglu, U. A. Gurkan, U. Demirci, M. C. Demirel, Appl. Phys. Lett. 2011, 99, 063703.
52. L. Mahadevan, S. Daniel, M. K. Chaudhury, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 23.
53. C. Christophis, K. Sekeroglu, G. Demirel, I. Thome, M. Grunze, M. C. Demirel, A. Rosenhahn, Biointerphases 2011, 6, 158.
54. G. Mahmud, C. J. Campbell, K. J. M. Bishop, Y. A. Komarova, O. Chaga, S. Soh, S. Huda, K. Kandere-Grzybowska, B. A. Grzybowski, Nat. Phys. 2009, 5, 606.
55. E. So, M. C. Demirel, K. J. Wahl, J. Phys. D Appl. Phys. 2010, 43, 045403.
56. A. A. Darhuber, S. M. Troian, S. M. Miller, S. Wagner, J. Appl. Phys. 2000, 87, 7768.
57. B. Zhao, J. S. Moore, D. J. Beebe, Science 2001, 291, 1023.
58. C. Lv, C. Yang, P. Hao, F. He, Q. Zheng, Langmuir 2010, 26, 8704.
59. L. Mahadevan, Y. Pomeau, Phys. Fluids 1999, 11, 2449.
60. D. Richard, D. Quéré, Europhys. Lett. 1999, 48, 286.
61. a) D. Bartolo, F. Bouamrirene, É. Verneuil, A. Buguin, P. Silberzan, S. Moulinet, Europhys. Lett. 2006, 74, 299
62. b) M. Reyssat, A. Pépin, F. Marty, Y. Chen, D. Quéré, Europhys. Lett. 2006, 74, 306.
63. a) N. Malvadkar, S. Park, M. Urquidi-MacDonald, H. Wang, M. C. Demirel, J. Power Sources 2008, 182, 323
64. b) N. A. Malvadkar, K. Sekeroglu, W. J. Dressick, M. C. Demirel, J. Power Sources 2011, 196, 8553.
65. N. A. Malvadkar, K. Sekeroglu, W. J. Dressick, M. C. Demirel, Langmuir 2010, 26, 4382.
66. a) J. Huang, M. Juszkiewicz, W. H. de Jeu, E. Cerda, T. Emrick, N. Menon, T. P. Russel, Science 2007, 317, 650
67. b) C. Py, P. Reverdy, L. Doppler, J. Bico, B. Roman, C. N. Baroud, Phys. Fluids 2007, 19, 91104.
68. C. Py, P. Reverdy, L. Doppler, J. Bico, B. Roman, C. N. Baroud, Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 156103.
69. R. E. Newnham, Properties of Materials: Anisotropy, Symmetry, Structure, Oxford University Press, Oxford, UK 2005.
70. a) M. C. Demirel, A. P. Kuprat, D. C. George, A. D. Rollett, Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 016106
71. b) A. Kuprat, D. George, G. Straub, M. C. Demirel, Comp. Mater. Sci. 2003, 28, 199.
72. A. R. Atilgan, S. R. Durell, R. L. Jernigan, M. C. Demirel, O. Keskin, I. Bahar, Biophys. J. 2001, 80, 505.
73. H. Yao, H. Gao, J. Mech. Phys. Solids 2006, 54, 1120.
74. a) H. Gao, H. Yao, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 7851
75. b) H. Gao, X. Wang, H. Yao, S. Gorb, E. Arzt, Mech. Mater. 2005, 37, 275
76. c) B. N. J. Persson, J. Chem. Phys. 2003, 118, 7614
77. d) R. Spolenak, S. Gorb, H. Gao, E. Arzt, Proc. R. Soc. A-Math. Phy. 2005, 461, 305
78. e) G. Huber, S. N. Gorb, R. Spolenak, E. Arzt, Biol. Lett. 2005, 1, 2.
79. P.-G. de Gennes, Rev. Mod. Phys. 1985, 57, 827.
80. P.-G. de Gennes, F. Brochard-Wyart, D. Quéré, Capillarity and Wetting Phenomena: Drops, Bubbles, Pearls, Waves, Springer, Berlin 2003.
81. a) A. W. Adamson, Physical Chemistry of Surfaces, Wiley, New York 1982
82. b) E. B. Dussan V, Ann. Rev. Fluid Mech. 1979, 11, 371.
83. C. W. Extrand, Langmuir 2007, 23, 1867.
84. A. C. Balazs, J. M. Yeomans, Soft Matter 2010, 6, 703.
85. T. Young, Phil. Trans. R. Soc. London A 1805, 95, 65.
86. a) R. E. Johnson, R. H. Dettre, in Advances in Chemistry Series, Vol. 43
87. Contact Angle, Wettability, and Adhesion, (Ed., F. M. Fowkes,), American Chemical Society, Washington, DC 1964, 112
88. b) R. H. Dettre, R. E. Johnson, in Advances in Chemistry Series, Vol. 43
89. Contact Angle, Wettability, and Adhesion, (Ed., F. M. Fowkes,), American Chemical Society, Washington, DC 1964, 136
90. c) R. H. Dettre, R. E. Johnson, J. Phys. Chem. 1965, 69, 1507.
91. a) E. B. Dussan V, R. T. P. Chow, J. Fluid Mech. 1983, 137, 1
92. b) C. W. Extrand, Y. Kumagai, J. Colloid Interface Sci. 1995, 170, 515.
93. G. D. Nadkarni, S. Garoff, Europhys. Lett. 1992, 20, 523.
94. R. N. Wenzel, Ind. Eng. Chem. 1936, 28, 988.
95. a) A. B. D. Cassie, S. Baxter, Trans. Faraday Soc. 1944, 40, 546
96. b) A. B. D. Cassie, S. Baxter, Nature 1945, 155, 21.
97. M. Krasowska, R. Krastev, M. Rogalski, K. Malysa, Langmuir 2007, 23, 549.
98. A. Checco, T. Hofmann, E. DiMasi, C. T. Black, B. M. Ocko, Nano Lett. 2010, 10, 1354.
99. M. Mao, J. Zhang, R. H. Yoon, W. A. Ducker, Langmuir 2004, 20, 1843.
100. C. W. Extrand, Langmuir 2002, 18, 7991.
101. F. Brochard, Langmuir 1989, 5, 432.
102. M. Nosonovsky, Langmuir 2007, 23, 3157.
103. J. F. Joanny, P. G. de Gennes, J. Chem. Phys. 1984, 81, 552.
104. Y. Pomeau, J. Vannimenus, J. Colloid Interface Sci. 1985, 104, 477.
105. M. Reyssat, D. Quéré, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 3906.
106. a) L. Gao, T. J. McCarthy, Langmuir 2006, 22, 2966
107. b) C. Dorrer, J. Rühe, Langmuir 2006, 22, 7652.
108. D. J. Acheson, Elementary Fluid Dynamics, Oxford University Press, Oxford, UK 1990.
109. K. A. Brakke, Exp. Math. 1992, 1, 141.
110. a) S. Brandon, A. Wachs, A. Marmur, J. Colloid Interface Sci. 1997, 191, 110
111. b) H. Gau, S. Herminghaus, P. Lenz, R. Lipowsky, Science 1999, 283, 46
112. c) A. A. Darhuber, S. M. Troian, J. M. Davis, S. M. Miller, S. Wagner, J. Appl. Phys. 2000, 88, 5119
113. d) M. Brinkmann, R. Lipowsky, J. Appl. Phys. 2002, 92, 4296
114. e) S. Brandon, N. Haimovich, E. Yeger, A. Marmur, J. Colloid Interface Sci. 2003, 263, 237.
115. F. J. M. Ruiz-Cabello, H. Kusumaatmaja, M. A. Rodriíguez-Valverde, J. Yeomans, M. A. Cabrerizo-Viílchez, Langmuir 2009, 25, 8357.
116. Y. Kwon, S. Choi, N. Anantharaju, J. Lee, M. V. Panchagnula, N. A. Patankar, Langmuir 2010, 26, 17528.
117. Y. Chen, B. He, J. Lee, N. A. Patankar, J. Colloid Interface Sci. 2005, 281, 458.
118. C. Dorrer, J. Rühe, Langmuir 2007, 23, 3179.
119. a) C. Dorrer, J. Rühe, Langmuir 2007, 23, 3820
120. b) S. Moulinet, D. Bartolo, Eur. Phys. J. E 2007, 24, 251.
121. C. Dorrer, J. Rühe, Langmuir 2008, 24, 1959.
122. W. Choi, A. Tuteja, J. M. Mabry, R. E. Cohen, G. H. McKinley, J. Colloid Interface Sci. 2009, 339, 208.
123. a) M. Bienia, C. Quilliet, M. Vallade, Langmuir 2003, 19, 9328
124. b) A. Klingner, J. Buehrle, F. Mugele, Langmuir 2004, 20, 6770.
125. M. L. Blow, H. Kusumaatmaja, J. M. Yeomans, J. Phys.-Condens. Mater. 2009, 21, 464125.
126. J. Hyväluoma, A. Koponen, P. Raiskinmäki, J. Timonen, Eur. Phys. J. E 2007, 23, 289.
127. B. M. Mognetti, H. Kusumaatmaja, J. M. Yeomans, Faraday Discuss. 2010, 146, 153.
128. a) W. Jin, J. Koplik, J. R. Banavar, Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 1520
129. b) P. Collet, J. De Coninck, F. Dunlop, A. Regnard, Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 3704
130. c) M. Lundgren, N. L. Allan, T. Cosgrove, Langmuir 2006, 23, 1187.
131. a) K. Luo, M.-P. Kuittu, C. Tong, S. Majaniemi, T. Ala-Nissila, J. Chem. Phys. 2005, 123, 194702
132. b) S. Vedantam, M. V. Panchagnula, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 176102
133. c) S. Vedantam, M. V. Panchagnula, J. Colloid Interface Sci. 2008, 321, 393.
134. a) M. Do-Quang, G. Amberg, Math. Comput. Simulat. 2010, 80, 1664
135. b) M. Do-Quang, G. Amberg, Phys. Fluids 2009, 21, 022102.
136. a) D. M. Anderson, G. B. McFadden, A. A. Wheeler, Ann. Rev. Fluid Mech. 1998, 30, 139
137. b) D. Jacqmin, J. Fluid Mech. 2000, 402, 57
138. c) H.-B. Nguyen, J.-C. Chen, Phys. Fluids 2010, 22, 062102
139. d) R. Scardovelli, S. Zaleski, Ann. Rev. Fluid Mech. 1999, 31, 567
140. e) A. K. Das, P. K. Das, Langmuir 2010, 26, 9547.
141. A. Fakhari, M. H. Rahimian, Phys. Rev. E 2010, 81, 036707.
142. H. Kusumaatmaja, J. M. Yeomans, in Simulating Complex Systems by Cellular Automata, (Eds:, A. G. Hoekstra, J. Kroc, P. M. A. Sloot,), Springer-Verlag, Berlin 2010, 241.
143. O. Kuksenok, D. Jasnow, J. Yeomans, A. C. Balazs, Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 108303.
144. H. Kusumaatmaja, M. L. Blow, A. Dupuis, J. M. Yeomans, Europhys. Lett. 2008, 81, 36003.
145. B. M. Mognetti, J. M. Yeomans, Phys. Rev. E 2009, 80, 056309.
146. D. L. Hu, J. W. M. Bush, Nature 2005, 437, 733.
147. G. Ince, K. K. Gleason, M. C. Demirel, Soft Matter 2011, 7, 638
148. W. J. Dressick, L. M. Kondracki, M.-S. Chen, S. L. Brandow, E. Matijević, J. M. Calvert, Colloids Surf. A 1996, 108, 101.