[論文レビュー] Experimental evidence of slippage breakdown for a superhydrophobic surface in a microfluidic device

Guido Bolognesi, Cécile Cottin-Bizonne+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2014

Surface Modification and Superhydrophobicity被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、マイクロ流体デバイス内のスーパーヒドロフォビック表面における液体-空気界面が、広く想定されている無せん断境界条件に反して非ゼロのせん断応力を維持できることを実験的に示した。蛍光顕微鏡とデジタル画像処理を組み合わせて、速度分布とメニスカス形状を同時に測定した結果、界面摩擦（不純物や熱的効果による可能性）が有効スリップを顕著に低下させ、安定したカッシー状態であってもスーパーヒドロフォビック性の摩擦低減効果が損なわれる可能性があることが明らかになった。

ABSTRACT

A full characterization of the water flow past a silicon superhydrophobic surface with longitudinal micro-grooves enclosed in a microfluidic device is presented. Fluorescence microscopy images of the flow seeded with fluorescent passive tracers were digitally processed to measure both the velocity field and the position and shape of the liquid-air interfaces at the superhydrophobic surface. The simultaneous access to the meniscus and velocity profiles allows us to put under a strict test the no-shear boundary condition at the liquid-air interface. Surprisingly, our measurements show that air pockets in the surface cavities can sustain non-zero interfacial shear stresses, thereby hampering the friction reduction capabilities of the surface. The effects of the meniscus position and shape as well as of the liquid-air interfacial friction on the surface performances are separately assessed and quantified.

研究の動機と目的

• マイクロ流体チャネル内のスーパーヒドロフォビック表面における液体-空気界面での無せん断境界条件の妥当性を検証すること。
• メニスカスの変形と界面摩擦の併存効果が有効スリップ長に与える影響を定量化すること。
• 安定したカッシー状態の空気ポケットが、マイクロフローにおいても顕著な摩擦抵抗を引き起こす可能性があるかどうかを特定すること。
• スーパーヒドロフォビック表面におけるスリップ長の理論的予測と実験的測定値の乖離を解明すること。
• 表面汚染およびレーザー誘発熱的効果が界面せん断応力の生成に果たす役割を評価すること。

提案手法

• 縦方向のマイクロ溝を有するシリコン製スーパーヒドロフォビック表面を備えたマイクロ流体デバイスを用いて、安定したカッシー状態を実現した。
• 流動チャネル内の2次元速度場を測定するために、受動 tracer を用いた蛍光顕微鏡法を採用した。
• デジタル画像処理を適用して、液体-空気界面におけるメニスカス形状と位置を同時に再構築した。
• 1つの液体-空気界面と1つの液体-固体界面を含む周期的ユニットセル上の速度分布を平均化することで、グローバル有効スリップ長を計算した。
• 測定された界面せん断応力と局所的なメニスカス幾何学的形状（曲率、浸透深さ）を相関させ、摩擦寄与を分離した。
• 同時に流動とメニスカス像を取得できる、共面焦点面アライメントを採用した独自の実験装置を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロ流体デバイス内のスーパーヒドロフォビック表面における液体-空気界面は、非ゼロのせん断応力を維持できるか。これは、無せん断境界条件に挑戦するものである。
• RQ2 メニスカス形状と位置は、スーパーヒドロフォビックマイクロチャネルにおける有効スリップ長にどのように影響するか。
• RQ3 界面摩擦が、スーパーヒドロフォビック表面の摩擦低減可能性をどの程度損なうか。
• RQ4 メニスカスの変形と界面せん断応力の両者が、カッシー状態におけるスリップの低下に及ぼす相対的寄与は何か。
• RQ5 表面汚染物質やレーザー誘発熱的効果が、マイクロ流体実験で測定可能な界面摩擦の原因として妥当であるか。

主な発見

• スーパーヒドロフォビック表面の液体-空気界面に測定可能な非ゼロのせん断応力が存在し、標準的な無せん断境界条件が破られていることが判明した。
• 有効スリップ長は理論的予測よりも顕著に低く、グローバルスリップ長は測定位置によって最大40％の変動を示した。
• メニスカスが流路内に押し込まれる形状（局所的な形状および位置による）が、スリップの低下に大きな寄与を示し、浸透深さとスリップ長の低下が直接相関していた。
• 界面摩擦（不純物粒子やレーザー誘発熱的効果による可能性）は、メニスカス変形の悪影響と同程度の大きさの抵抗要因であることが判明した。
• 安定したカッシー状態であっても、平坦またはわずかに変形したメニスカスを有する場合でも、有効スリップが保証されないことが判明した。界面摩擦が支配的になる可能性がある。
• 本研究は、非変形の液体-空気界面が摩擦低減を保証するものではないことを、直接的な実験的証明として提供した。界面せん断応力が性能を制限し得る。