[論文レビュー] Quantitative testing of robustness on super-omniphobic surfaces by drop impact

Thi Phuong Nhung Nguyen, Philippe Brunet+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2010

Surface Modification and Superhydrophobicity被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ドロップインパクト実験を用いて、スーパーオムニホビックシリコンナノワイヤ（SiNW）表面の耐久性を初めて定量的測定した。研究では、平らなシリコン上でのヤング接触角（θ₀）が高くなるほど、液体の浸透に対する耐久性が指数関数的に向上することを示し、特に低表面張力液体に対して、斜めに配向したナノワイヤが浸透に対する抵抗性を顕著に向上させることを明らかにした。

ABSTRACT

The quality of a liquid-repellent surface is quantified by both the apparent contact angle $θ_0$ that a sessile drop adopts on it, and the value of the liquid pressure threshold the surface can withstand without being impaled by the liquid, hence keeping a low-friction condition. We designed surfaces covered with nano-wires obtained by the vapor-liquid-solid (VLS) growth technique, that are able to repel most of the existing non-polar liquids including those of very low surface tension, as well as many polar liquids of moderate to high surface tension. These super-omniphobic surfaces exhibit apparent contact angles ranging from 125 to 160$^{\circ}$ depending on the liquid. We tested the robustness of the surfaces against impalement by carrying out drop impact experiments. Our results show how this robustness depends on the Young's contact angle $θ_0$ related to the surface tension of the liquid, and that the orientational growth of NWs is a favorable factor for robustness.

研究の動機と目的

• 動的インパクト下での液体の浸透に対するスーパーオムニホビック表面の耐久性を定量的に評価すること。
• 滑らかな表面におけるヤング接触角（θ₀）が、浸透の圧力閾値に与える影響を調査すること。
• 低表面張力液体に対する浸透抵抗性を向上させるために、ナノワイヤの配向および表面テクスチャの役割を評価すること。
• 異なるナノワイヤ成長特性を示す2種類のSiNW表面（VLS1およびVLS2）の性能を比較すること。
• 外部的インパクトなしに自発的浸透が発生する臨界θ₀閾値を特定すること。

提案手法

• 気相-液体-固体（VLS）成長法を用いて、垂直および斜めに配向したシリコンナノワイヤ（SiNW）を形成し、低表面エネルギーを有するフルオロポリマーでコーティングすることでスーパーオムニホビック表面を調製した。
• さまざまな表面張力（γ）およびそれに応じたヤング接触角（θ₀）を有する液体を用いて、これらの表面におけるドロップインパクト実験を実施した。
• 液体ドロップがナノワイヤテクスチャを貫通する前に耐えられる最大圧力として、臨界浸透圧力閾値（Pc）を測定した。
• ウェッティング状態の解釈に、Cassie-BaxterおよびWenzelモデルを用い、式（1）により顕在接触角と表面分率およびθ₀の関係を定式化した。
• Cassie-Baxter状態とWenzel状態の間のエネルギー障壁を分析し、非反応的状態の力学的不安定性を説明した。
• ドロップがナノワイヤ上に位置する様子を可視化し、Cassie-Baxter状態を確認するために走査型電子顕微鏡（SEM）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 滑らかな表面におけるヤング接触角（θ₀）は、液体の浸透に対するスーパーオムニホビック表面の耐久性にどのように影響するか？
• RQ2 外部的インパクトなしに自発的浸透が発生する臨界θ₀値は何か？
• RQ3 ナノワイヤの配向（垂直対斜め成長）は、浸透の臨界圧力閾値（Pc）にどのように影響するか？
• RQ4 表面粗さおよび構造的不規則性は、耐久性の向上にどの程度寄与するか？
• RQ5 ドロップインパクト実験は、スーパーオムニホビック表面の耐久性を信頼性高く定量的に測定できるか？

主な発見

• 臨界浸透圧力（Pc）はヤング接触角（θ₀）に指数関数的に依存しており、θ₀が高くなるほど著しく耐久性が向上することを示した。
• θ₀ < 60°の場合、Pcはゼロに低下し、外部的インパクトなしに液体がテクスチャ内に自発的浸透することを示した。
• 斜めに配向したナノワイヤを有するVLS2表面は、より垂直に近いナノワイヤを有するVLS1表面よりも高い耐久性を示した。
• 本研究では、直立した垂直ナノワイヤが耐久性を最大にしないことが確認された。代わりに、ナノワイヤ成長の有限な傾きが浸透抵抗性を向上させることを示した。
• 耐久性は、有限のエネルギー障壁がWenzel状態への自発的遷移を防ぐ、力学的に不安定なCassie-Baxter状態に強く関連している。
• 蒸発誘発浸透に比べ、ドロップインパクト実験は接触角ヒステリシスが低く（1–2°）、ドロップが容易に転がり落ちるため、Pcの測定により信頼性が高かった。