Surface instabilities and wave propagation in predictive 3D patterning in soft matter

Sala 1.3.14, FCUL, Lisboa

João Cabral
Imperial College London, UK

 

Patterning of soft matter provides exceptional routes for the generation of micro/nanostructured and functional surfaces. We describe the propagation of planar wavefronts of network formation emanating from an illuminated surface during photopolymerisation and report a 3D patterning approach based on coupling planar growth with precisely controlled, yet spontaneous, interfacial instabilities. Photopolymerisation is a complex spatio-temporal process that may lead to well-defined fronts, both stable and unstable. We investigate this light-driven frontal photopolymerisation (FPP) process with a combination of experiments, analytical and numerical modelling. Frontal growth of a series of multifunctional polymers is quantified and described with a ‘minimal’ coarse-grained model, in terms an order parameter Φ(x,t) characterising the extent of monomer-to-polymer conversion. The non-trivial aspects of FPP derive from the coupling of optical attenuation coefficient μ(x,t) and the growing non-uniform network h(x,t). The effect of temperature and nanoparticle fillers (silica, titania, and carbon nanotubes) is elucidated and agrees remarkably with model predictions. Using these results, FPP is demonstrated as a photolithographic3D fabrication process.

References:
[1] A. Vitale, M.G. Hennessy, O.K. Matar, and J. T. Cabral, “A unified approach for patterning via frontal photopolymerization”, Adv. Mater. 27, 6118–6124 (2015)
[2] M.G. Hennessy, A. Vitale, J. T. Cabral and O.K. Matar, "Role of heat generation during frontal photopolymerization" Phys. Rev. E 92, 022403 (2015)
[3] M.G. Hennessy, A. Vitale, O.K. Matar, and J. T. Cabral, "Controlling frontal photopolymerization with optical attenuation and mass diffusion" Phys. Rev. E 91, 062402 (2015)
[4] A. Vitale, M.G. Hennessy, O.K. Matar, and J. T. Cabral, "Interfacial profile and propagation of frontal photopolymerization waves" Macromolecules 48, 198-205 (2015)
[5] M. Mania, O. K. Matar, and J. T. Cabral, "Frontal vitrification of PDMS using air plasma and consequences for surface wrinkling", Soft Matter 11, 3067-3075 (2015)

11h15
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