[논문 리뷰] Capillary Rise and Imbibition of Liquids in Nanoporous Matrices: Rheological Concepts and Experiments

Simon Gruener, Patrick Huber|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 05.

Pickering emulsions and particle stabilization참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 구멍 반경이 3.4–4.9 nm인 나노다공성 실리카 유리(Vycor)에서 모세관 작용에 의한 흡수를 중량 측정을 통해 분석하여 액체의 유동 역학을 조사한다. 다양한 액체(물, n-알칸, 실리콘 오일, 액체 결정)에서 시간의 제곱근에 비례하는 흡수 동역학이 관찰되었으며, 이는 일관된 체적 유동성과 모세관력에 기인하며, 점착성(음의 슬립 길이) 경계층이 존재함을 설명한다. 또한 n-테트라코산에서 멜리스쿠스 동결 현상과 밀도가 낮은 나트륨 액체 결정에서 점도 변화가 억제되는 현상을 관찰하였다.

ABSTRACT

Liquid flow propelled by capillary forces is one of the most important transport mechanisms in porous environments. It is governed by a fascinating interplay of interfacial, viscous drag as well as gravitational forces which liquids encounter upon invasion into geometries with often complex topologies, such as capillary networks of trees or interconnected fractures in soils and ice. Here, we present fundamentals, concepts and an experimental, gravimetric study on the capillarity-driven invasion dynamics of liquids in networks of pores a few nanometers across in monolithic, nanoporous silica glass (porous Vycor). A variation of the complexity of the building blocks of the liquids investigated along with a variation of the humidity and the temperature upon spontaneous imbibition allows us to gain information regarding the fluidity and capillarity of liquids in such nanoporous environments. We observe square-root of time imbibition dynamics for all liquids applied, which we can quantitatively describe by both a conserved bulk fluidity in the pore center and bulk capillarity at the advancing menisci, if we assume a sticky boundary layer (negative velocity slip length). Moreover, pecularities of nanopore-confined liquids, such as transport via the vapor phase leading to preadsorbed liquid layers, have to be properly accounted for. Upon increasing the chain-length in the case of the n-alkanes, we found hints towards a transition from stick- to slip-flow at the pore walls with increasing chain-length and thus polymeric behavior. Meniscus freezing is reported for n-tetracosane confined in porous Vycor. For the rheology of a rod-like liquid nematogen (8OCB) we found no hints of the viscosity drop upon entering into the nematic phase, typical of the bulk rheology of this liquid crystal.

연구 동기 및 목표

• 연속체 유체역학이 붕괴될 수 있는 나노스케일에서의 액체의 점성 거동을 이해하기 위해.
• 체적 유동성과 모세관력이 나노다공에서 유지되는지, 그리고 계면 상호작용이 유동 역학에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 액체 결정 및 장쇄 알칸과 같은 액체에서의 상전이 거동과 유동 이방성 현상을 나노다공에 갇힌 상태에서 조사하기 위해.
• 복잡한 다공 구조를 가진 나노다공 네트워크에서 고전적 유체역학 모델(예: 다르시의 법칙)의 타당성을 평가하기 위해.
• 예상된 흡착층과 멜리스쿠스 동결과 같은 계면층이 흡수 동역학에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 제어된 다공 반경(3.4 nm 및 4.9 nm)을 가진 단단한 나노다공성 Vycor 유리에서의 자발적 흡수에 대한 중량 측정.
• 액체 복잡성의 체계적 변화: 물, n-알칸(C24), 실리콘 오일, 기둥형 액체 결정(8OCB).
• 다르시의 법칙을 나노다공 네트워크에 확장하여, 일관된 체적 유동성과 모세관력에 기반하고 음의 슬립 길이 경계 조건을 가정.
• 시간에 따라 변화하는 질량 흡수량 분석을 통해 흡수 동역학을 추출하고, 제곱근-시간 스케일링에서 슬립 길이를 유추.
• 유동 해석 모델에 예상된 액체층과 수증기 상의 확산 효과를 통합.
• 평형 상 행동과 그가 동적 유동에 미치는 영향을 규명하기 위해 보조적인 이방성 및 열분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노다공에서 모세관 작용에 의한 흡수는 시간의 제곱근에 비례하는 동역학을 따르는가? 이는 체적 유동성과 모세관력에 기반한 수정된 경계 조건으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 특히 점착성(음의 슬립 길이) 경계층과 같은 계면 상호작용은 나노다공에서의 흡수 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 액체의 유동성이 다공 중심에서 얼마나 유지되는가? 이는 체적 행동과 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ4 예상된 액체층과 수증기 상 확산은 나노스케일에서의 흡수 과정에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 공간적 제약은 액체 결정의 상전이 거동을 어떻게 변화시키며, 나트륨 상 전이 시 점도 감소 현상은 유지되는가?

주요 결과

• 모든 액체에서 시간의 제곱근에 비례하는 흡수 동역학이 관찰되어, 다공 중심에서 일관된 체적 유동성과 모세관력이 유지됨을 시사한다.
• V5에서 b = (-1.11 ± 0.23) nm, V10에서 b = (-1.54 ± 0.31) nm의 음의 슬립 길이는 점착성 경계층 존재를 나타내며, 다공 벽면에서의 슬립 흐름이 없음을 의미한다.
• n-테트라코산에서 멜리스쿠스 동결—표면활성제 유사한 정렬된 단층막 형성—현상이 관찰되어 강한 계면 구조화를 시사한다.
• 기둥형 액체 결정 8OCB에서는 나트륨 상으로의 진입 시 점도 감소 현상이 관찰되지 않아, 일반적인 체적 점성 거동 전이가 억제됨을 나타낸다.
• 8OCB의 나트륨 상은 제약 조건 하에서 안정화되며, 유동 유도된 정렬에 의해 파라나트륨-나트륨 전이가 넓어진다.
• 이 결과들은 이중상 흐름 모델을 시사한다: 다공 중심에서는 빠르고 체적 유사 흐름이 일어나고, 계면층에서는 강한 액체-기초 상호작용으로 인해 느린 흐름이 발생하며, 이는 흡착 Isotherm의 필름 및 모세관 응축 상태와 유사하다.