Πολυλειτουργικές επιφάνειες και διατάξεις που κατασκευάζονται με μεθόδους μίκρο - και νανοτεχνολογίας με εφαρμογές στα τρόφιμα και την ενέργεια

Abstract

This PhD thesis focuses on the design, fabrication, and characterization of advanced multifunctional surfaces and devices utilizing micro- and nanotechnology methods, aiming for their application in two critical sectors: food science and thermal management through novel microdevices (energy). The focal point of this research is the modification of the wettability properties of polymeric and metallic materials, endowing them with extreme wetting characteristics (superhydrophobicity, superhydrophilicity). In the field of food science, the development of “smart” surfaces for the passive control of microbial load was investigated. Initially, an environmentally friendly (“green”) method for micro-nanotexturing Polyethylene Terephthalate (PET) films using oxygen plasma was developed, achieving long-term stability of wettability properties without compromising the material's optical properties. Subsequently, the antifungal activity of nanotextured Aluminum (Al) and Poly(methyl methacrylate) (PMMA) surfaces against the fungus Aspergillus awamori was examined. The results demonstrated that superhydrophobic surfaces with hierarchical topography significantly inhibit fungal adhesion and proliferation, reducing fungal biomass by up to 2.2 times compared to untreated surfaces, thus offering an effective solution for antifouling applications, such as food packaging. In the field of energy and microdevices, the thesis focused on the development of ultra-thin and flexible passive heat transfer devices. Innovative “wickless” devices were fabricated by leveraging surfaces with controlled wettability. Specifically, polyimide/copper thermal diodes with a thickness of just 310 μm were developed, integrating a superhydrophilic and a superhydrophobic region; these devices demonstrated a 200% improvement in thermal efficiency and a heat transfer coefficient of 3650 W/m²K. Additionally, fully polymeric, flexible asymmetric devices made of Cyclic Olefin Copolymer (COC) with integrated superhydrophilic microchannels were presented, which maintained low thermal resistance (down to 5.3 °C/W) even under mechanical bending conditions. In conclusion, this thesis highlights the potential of plasma nanotechnology for the production of functional surfaces with high added value. The findings contribute significantly to the understanding of material-microorganism interactions and the optimization of phase-change mechanisms, paving the way for new applications in the food industry and modern flexible electronics.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τον σχεδιασμό, την κατασκευή και τον χαρακτηρισμό προηγμένων πολυλειτουργικών επιφανειών και διατάξεων μέσω μεθόδων μίκρο- και νανοτεχνολογίας, με στόχο την εφαρμογή τους σε δύο κρίσιμους τομείς: την επιστήμη τροφίμων και τη διαχείριση θερμότητας μέσω νέων πρότυπων μικροδιατάξεων (ενέργεια). Κεντρικό άξονα της έρευνας αποτελεί η τροποποίηση των ιδιοτήτων διαβροχής πολυμερικών και μεταλλικών υλικών, προσδίδοντάς τους ακραίες ιδιότητες διαβροχής (υπερυδροφοβικότητα, υπερυδροφιλικότητα). Στον τομέα της επιστήμης τροφίμων, μελετήθηκε η ανάπτυξη «έξυπνων» επιφανειών για τον παθητικό έλεγχο του μικροβιακού φορτίου. Αρχικά, αναπτύχθηκε μια φιλική προς το περιβάλλον («πράσινη») μέθοδος μίκρο-νανοδόμησης υμενίων τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου (PET) με χρήση πλάσματος οξυγόνου, επιτυγχάνοντας μακροχρόνια σταθερότητα των ιδιοτήτων διαβροχής χωρίς την υποβάθμιση των οπτικών ιδιοτήτων του υλικού. Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η αντιμυκητιακή δράση νανοδομημένων επιφανειών αλουμινίου (Al) και πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστέρα) (PMMA) έναντι του μύκητα Aspergillus awamori. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι οι υπερυδρόφοβες επιφάνειες με ιεραρχική τοπογραφία παρεμποδίζουν σημαντικά την προσκόλληση και τον πολλαπλασιασμό του μύκητα, μειώνοντας τη μυκητιακή βιομάζα έως και 2.2 φορές σε σχέση με τις μη επεξεργασμένες επιφάνειες, προσφέροντας μια αποτελεσματική λύση για αντιρρυπαντικές (antifouling) εφαρμογές όπως για παράδειγμα της συσκευασίας τροφίμων. Στον τομέα της ενέργειας και των μικροδιατάξεων, η διατριβή εστίασε στην ανάπτυξη εξαιρετικά λεπτών κι εύκαμπτων παθητικών διατάξεων μεταφοράς θερμότητας. Κατασκευάστηκαν καινοτόμες διατάξεις «άνευ εσωτερικής δομής» (wickless), αξιοποιώντας επιφάνειες με ελεγχόμενη διαβροχή. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν θερμικές δίοδοι από πολυιμίδιο/χαλκό πάχους μόλις 310 μm, ενσωματώνοντας μια υπερυδρόφιλη και μια υπερυδρόφοβη περιοχή, οι οποίες επέδειξαν βελτίωση της θερμικής απόδοσης κατά 200% και συντελεστή μεταφοράς θερμότητας 3650 W/m2K. Επιπροσθέτως, παρουσιάστηκαν πλήρως πολυμερικές, εύκαμπτες ασυμμετρικές διατάξεις από κυκλο-ολεφινικό συμπολυμερές (COC) με ενσωματωμένα υπερυδρόφιλα μικροκανάλια, οι οποίες διατήρησαν χαμηλή θερμική αντίσταση (έως 5.3 °C/W) ακόμη και υπό συνθήκες μηχανικής κάμψης. Συμπερασματικά, η διατριβή αναδεικνύει τη δυναμική της νανοτεχνολογίας πλάσματος για την παραγωγή λειτουργικών επιφανειών με υψηλή προστιθέμενη αξία. Τα ευρήματα συνεισφέρουν σημαντικά στην κατανόηση της αλληλεπίδρασης υλικών-μικροοργανισμών και στη βελτιστοποίηση των μηχανισμών αλλαγής φάσης, ανοίγοντας νέους δρόμους για εφαρμογές στη βιομηχανία τροφίμων και στα σύγχρονα εύκαμπτα ηλεκτρονικά.