Perspectives on capillary bridges Quasi-two-dimensional droplets and bridges made of living cells
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2026-01-09
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
77 + app. 117
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 23/2026
Abstract
Liquid-solid and liquid-liquid interactions are central to fundamental research, impacting fields from physics to biology. Liquids can range from simple, like water, to complex, including living systems. The interactions often involve coupled capillary effects that are challenging to quantify separately. Confining the system offers a way to reduce complexity, albeit more readily accomplished in theoretical models than in experiments. This thesis presents perspectives on capillary bridges, including both confined systems of liquid droplets and living tissues, to explore capillary interactions and their implications in three-dimensional spaces. Publication I focused on liquid-solid interactions on superhydrophobic surfaces, where minimal contact between the droplet and solid is provided by trapped air, called a plastron, in between the droplet and solid surface with microscopic pillars. By measuring friction forces and plastron thickness simultaneously, a friction component originating from the plastron was identified. This effect resulted in significant dissipations at larger droplet velocities, reducing the performance of the surfaces. Therefore, the results from this work facilitate improved design of water-repellent coatings. Publication II transitions three-dimensional (3D) droplets into a quasi-two-dimensional (Q2D) framework. Gravity effects were retained despite the geometric transition, resulting in droplet sizes and shapes determined by capillary length, and falling and sliding droplets similarly as to 3D. Publication III focused on liquid-liquid interactions utilizing the Q2D geometry to investigate liquidliquid interactions. The confined geometry provided optimal conditions to investigate vapor and thin film mediated mass transfer that resulted in complex Marangoni effects. Both long- and short-range vapor effects were identified, influencing droplet motion and thin film formation. The results from Publication II and III together demonstrated effective Q2D droplet analogies, from static to dynamic ones, valuable for studying various interactions. In Publication IV, confined geometry was applied to living tissues, examining complex liquid-solid interactions by creating living capillary bridges that resemble inert liquid bridges. Dynamics driven by cellular activities caused transitions from quasi-static to unstable bridge states, leading to selforganized rupturing. This transition was influenced by the competition between cell growth and cell flow, suggesting a mechanical interplay affecting tissue integrity in confinement. This thesis presents perspectives on capillary bridges and demonstrates that they are valuable techniques for studying various liquid-solid and liquid-liquid interactions, particularly in scenarios involving complex liquids, interactions, and even living matter. The key advantages include welldefined and controlled interfaces and optical access, facilitating easier study of 3D problems and the possibility of discovering new effects due to boundary conditions from the confinement.Vuorovaikutukset nesteiden ja kiinteiden rajapintojen välillä ovat keskeisiä monella alalla fysiikasta biologiaan. Nesteet voivat olla yksinkertaisia, kuten vesi, tai monimutkaisia, kuten elävät kudokset. Vuorovaikutuksiin liittyy yleensä monimutkaisia kapillaari-ilmiöitä, joita on haastavaa tutkia. Nesteiden rajaaminen yksinkertaistaa systeemiä, joskin tämä on helpommin saavutettavissa teoreettisesti kuin kokeellisesti. Tämä väitöskirja esittelee näkökulmia kapillaarisiltoihin, kattaen rajapintavuorovaikutuksia yksinkertaisista nestepisaroista eläviin kudoksiin. Julkaisu I keskittyi vuorovaikutuksiin nestepisaroiden sekä superhydrofobisten pintojen välillä, missä pisaran ja kiinteän pinnan välinen kontakti on pieni. Pieni kontakti johtuu ohuesta ilmakerroksesta, joka jää pisaran sekä kiinteän pinnan mikrorakenteiden väliin. Mittaamalla kitkavoimia sekä ilmakerroksen paksuutta samanaikaisesti, havaittiin uusi kitkakomponentti, joka oli peräisin ilmakerroksesta. Tämä vaikutus johti merkittäviin energiahäviöihin suuremmilla pisaranopeuksilla, heikentäen superhydrofobisten pintojen suorituskykyä. Tämän työn tulokset tukevat nesteitä hylkivien pinnoitteiden suunnittelua, jossa täytyy ottaa huomioon ilmakerroksen vaikutukset. Julkaisu II esittää kolmiulotteisten (3D) pisaroiden muuntamisen äennäiskaksiulotteiseen (Q2D) geometriaan. Painovoimavaikutukset säilyivät geometrisesta muutoksesta huolimatta, mikä johti kapillaaripituuden määrittämiin pisarakokoihin ja -muotoihin, sekä pisaroiden liikkumiseen samaan tapaan kuin 3D geometriassa. Julkaisu III keskittyi nesteiden välisiin vuorovaikutuksiin hyödyntäen Q2D-geometriaa nesteiden välisten vuorovaikutusten tutkimiseen. Rajattu geometria tarjosi ihanteelliset olosuhteet tutkia höyryn sekä ohutkalvon välittämän massansiirron vaikutuksia nesteissä. Pitkän ja lyhyen kantaman höyryvaikutukset aiheuttivat monimutkaisia Marangoni-ilmiöitä, jotka vaikuttivat pisaroiden liikkeeseen ja erittäin ohuen nestekalvon muodostumiseen. Julkaisujen II ja III tulokset yhdessä osoittivat toimivia Q2D pisara-analogioita staattisiin sekä dynaamisiin pisaroihin, jotka ovat merkittäviä erilaisten vuorovaikutusten tutkimisessa. Julkaisussa IV rajoitettua geometriaa sovellettiin eläviin kudoksiin, tutkien monimutkaisia nesteiden ja kiinteiden rajapintojen vuorovaikutuksia. Työ perustui eläviin kapillaarisiltoihin, jotka muistuttivat inerttejä nestesiltoja. Toisin kuin nestesilloissa, solujen toiminnat aiheuttivat muutoksen kvasistaattisista silloista epästabiileihin, mikä johti solusillan hajoamiseen. Tähän vaikutti kilpailu solujen jakautumisen sekä aktiivisen solumigraation välillä, joka vaikutti kudoksen eheyteen rajoitetussa geometriassa. Tämä väitöskirja esittelee näkökulmia kapillaarisiltoihin ja osoittaa, että ne ovat tärkeitä tekniikoita erilaisten nesteiden ja kiinteiden rajapintojen sekä nesteiden keskinäisten vuorovaikutusten tutkimisessa, erityisesti tilanteissa, joissa mukana on monimutkaisia nesteitä, vuorovaikutuksia ja jopa eläviä materiaaleja. Keskeisiä etuja ovat hyvin määritellyt ja hallitut rajapinnat sekä optinen saavutettavuus, mikä helpottaa 3D ongelmien tutkimista sekä uudenlaisten ilmiöiden löytämistä rajauksen aiheuttamien reunaehtojen ansiosta.Description
Supervising professor
Timonen, Jaakko V. I., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Timonen, Jaakko V. I., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandBeaune, Grégory, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
capillarity, capillary phenomena, capillary bridge, interfacial tension, surface tension, contact angle, moving contact line, contact line dynamics, Hele-Shaw cell, droplets, quasi-twodimensional droplets, vapor pressure, Marangoni effect, cellular aggregate, spheroids, physics of biological tissues, kapillaarisuus, kapillaari-ilmiö, kapillaarisilta, pintajännitys, kontaktikulma, liikkuva kontaktiviiva, kontaktiviivan dynamiikka, Hele-Shaw -kenno, pisarat, näennäiskaksiulotteiset pisarat, höyrynpaine, Marangoniefekti, soluaggregaatti, spheroidi, kudosten fysiikka
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Matilda Backholm, Tytti Kärki, Heikki Nurmi, Maja Vuckovac, Valtteri Turkki, Sakari Lepikko, Ville Jokinen, David Quéré, Jaakko Timonen & Robin Ras. Toward vanishing droplet friction on repellent surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 121 (17) e2315214121. 2024.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202405033264DOI: 10.1073/pnas.2315214121 View at publisher
-
[Publication 2]: Tytti Kärki, Into Pääkkönen, Nikos Kyriakopoulos & Jaakko Timonen. Quasi-two-dimensional pseudo-sessile drops. Communications Physics. 7 (1) 333. 2024.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202410306955DOI: 10.1038/s42005-024-01831-2 View at publisher
- [Publication 3]: Tytti Kärki, Senna Luntama & Jaakko Timonen. Vapor mediated liquid-liquid interactions in quasi-two-dimensional geometry. Under revision, December 2025.
- [Publication 4]: Tytti Kärki, Senna Luntama, Yasamin Modabber, Saila Pönkä, Gonca ErdemciTandogan, Mikko Karttunen, Grégory Beaune & Jaakko Timonen. Living capillary bridges. Under revision, December 2025.