[논문 리뷰] Determining superhydrophobic surfaces from an expanded Cassie Baxter equation describing simple wettability experiments

Soeren Kaps, Rainer Adelung외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 22.

Surface Modification and Superhydrophobicity참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 수평면에서의 접촉역학 측정의 한계를 극복하기 위해 물 분사 반사 방법을 활용해 초수소성 표면의 젖은 부분 비율(f)과 거칠기(r)를 동적으로 측정하는 실험적 방법을 제시한다. 분사 반사 과정에서 에너지 보존 법칙을 적용함으로써, 단순한 물방울 측정 실험만으로도 f와 r를 직접적으로 실험적으로 결정할 수 있게 되었으며, 이는 인공 초수소성 표면이 천연으로 진화한 표면(예: 나스투르티움 잎)에 비해 일반적으로 최적화되지 않은, 기계적으로 불안정한 거칠기를 포함하고 있음을 드러낸다.

ABSTRACT

The characterization of the wetting on superhydrophobic surfaces is rather complex. Usual contact angle experiments are difficult to perform and the lateral movement of droplets as well as the pinning at point defects on the surface can disturb the measurements. Even if precise contact angle measurements can be performed the information gain is limited if the surface is heterogeneously wetted. This results in the possibility of two surfaces with different roughness, different surface energy and thus different underlying wetting mechanisms exhibiting the same contact angle. We introduce the utilization of dynamic wetting experiments as an additional surface probe which allows a better characterization of superhydrophobic surfaces. A theoretical model is presented which describes the spreading of water jets on a superhydrophobic surface and allows the determination of the wetted fraction of a heterogeneously wetted superhydrophobic surface. The determined values for the wetted fraction identify a common problem when building artificial super hydrophobic surfaces and can fundamentally improve their understanding.

연구 동기 및 목표

• 정적 접촉각 측정의 근본적 한계를 해결하기 위해, 동일한 접촉각을 유도하는 다양한 거칠기와 젖은 부분 비율 조합을 구분할 수 없음을 해결한다.
• 정적 접촉각 측정만으로는 제공할 수 없는, 표면의 젖음 거동 기작에 대한 추가적인 물리적 의미 있는 정보를 제공하는 동적 젖음 실험(물 분사 반사)을 개발한다.
• 단순한 젖음 실험만을 통해 캐시-박서 모델에서 젖은 부분 비율(f)과 거칠기(r)를 직접적으로 실험적으로 결정할 수 있도록 한다.
• 과도하고 불필요한 거칠기가 인공 초수소성 표면의 기계적 불안정성을 유발하는 원인임을 규명하고 정량화한다.
• 천연으로 진화한 초수소성 표면(예: 나스투르티움 잎)이 근접한 이상적인 젖은 부분 비율(f ≈ 1)을 달성하면서도 뛰어난 기계적 안정성을 확보하고 있음을 보여준다.

제안 방법

• 물 분사 반사 과정에서 에너지 보존 법칙을 기반으로 한 이론적 모델을 제1원리에서 유도하며, 충격 직전와 최대 확산 상태의 에너지 상태를 비교한다.
• 확장된 캐시-박서 방정식을 사용하여 표면계 에너지(γSG, γSL, γLG)를 접촉각과 젖은 부분 비율 f와 연관시킨다.
• 초수소성 표면에 분사된 물 분사의 최대 확산 너비는 5ms 노출 시간을 가진 정면 사진으로 실험적으로 측정된다.
• 실험적 확산 너비에 이론적 모델을 최소 제곱법으로 피팅하여 젖은 부분 비율 f를 계산한다.
• 인공 Re 섬유 배열과 천연 나스투르티움 잎 표면을 동일한 분사 반사 조건에서 비교하여 방법의 타당성을 검증한다.
• 이 방법을 통해 캐시-박서 방정식에서 f와 r를 독립적으로 결정할 수 있게 되어, 정적 접촉각 측정의 과소정의 성격을 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물 분사 반사와 같은 동적 젖음 실험은 정적 접촉각 측정만으로는 제공할 수 없는 보다 신뢰성 있고 정보적인 초수소성 표면 특성화를 가능하게 하는가?
• RQ2 단일 젖음 실험만으로도 추가적인 구조 측정 없이 캐시-박서 모델의 젖은 부분 비율 f와 거칠기 r을 실험적으로 결정할 수 있는가?
• RQ3 유사한 접촉각을 보이는 인공 초수소성 표면들이 정적 접촉각이 동일함에도 불구하고 기계적 안정성과 성능에서 상이한 이유는 무엇인가?
• RQ4 천연으로 진화한 초수소성 표면(예: 나스투르티움 잎)의 젖은 부분 비율 f는 인공 Re 섬유 배열에 비해 어떻게 다른가?
• RQ5 표면 거칠기 분포는 초수소성 코팅의 기계적 안정성과 젖음 거동에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 물 분사 반사 방법을 통해 젖은 부분 비율 f를 실험 데이터와 뛰어난 일치로 정확히 결정하였으며, 이는 전체 측정 영역에서 이론 모델의 타당성을 검증한다.
• 나스투르티움 잎의 젖은 부분 비율은 f = 0.950으로 측정되어 표면의 거의 완전한 젖음 상태임을 시사하며, 이는 진화적 최적화와 일치한다.
• 인공 Re 섬유 배열은 매우 낮은 젖은 부분 비율 f = 0.014를 보였으며, 이는 고비율 나노섬유의 끝부분만 젖어 있는 것으로 나타났다.
• 나스투르티움 잎의 높은 f 값은 기계적 안정성과 관련이 있으며, 반면 저f와 고거칠기를 가진 인공 표면는 기계적으로 취약하고 쉽게 손상된다.
• 이 연구는 인공 초수소성 표면가 종종 수소성도 향상 없이 표면의 안정성을 해치는 불필요한 거칠기를 포함하고 있음을 드러내며, 천연으로 진화한 표면과는 대조된다.
• 결과적으로 초수소성 코팅은 수소성과 기계적 내구성을 동시에 향상시키기 위해 높은 젖은 부분 비율 f를 최적화해야 한다는 점을 입증한다.