[논문 리뷰] Experimental evidence of slippage breakdown for a superhydrophobic surface in a microfluidic device

Guido Bolognesi, Cécile Cottin-Bizonne외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 12.

Surface Modification and Superhydrophobicity인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 초소수성 표면에서 미세유체 장치의 액체-공기 계면이 비제로의 마찰 응력을 유지할 수 있음을 실험적으로 입증한다. 이는 널리 받아들여진 마찰이 없는 경계 조건을 위반한다. 유성형 현미경과 디지털 영상 처리를 병행하여 저자들은 속도 분포와 경계면 형상 측정을 수행하였으며, 이는 오염물질 또는 열적 효과로 인한 계면 마찰이 효과적 슬립을 크게 감소시켜, 조건이 안정된 캐시 상태에서도 초소수성의 마찰 감소 효과가 훼손됨을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 미세유체 채널에서 초소수성 표면의 액체-공기 계면에서의 마찰이 없는 경계 조건의 타당성을 조사하기 위해.
• 경계면 형상 변화와 계면 마찰이 효과적 슬립 길이에 미치는 병합 효과를 정량화하기 위해.
• 안정된 캐시 상태에서 공기 필름이 여전히 미세유체 흐름에서 상당한 마찰 저항을 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 초소수성 표면에서 이론적 예측과 실험 측정 간의 슬립 길이 불일치를 해결하기 위해.
• 표면 오염 및 레이저 유도 열 효과가 계면 마찰 응력 생성에 미치는 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 장력 방향의 마이크로 홈을 가진 실리콘 초소수성 표면을 갖춘 미세유체 장치를 사용하여 안정된 캐시 상태를 확보하였다.
• 유성형 현미경과 수동 추적 입자를 사용하여 채널 가로로 2차원 속도장을 측정하였다.
• 디지털 영상 처리를 적용하여 액체-공기 계면의 위치와 형상을 동시에 재구성하였다.
• 한 개의 액체-공기 및 한 개의 액체-고체 표면을 포함하는 주기적 단위 세포의 속도 분포를 평균하여 전반적 효과적 슬립 길이를 계산하였다.
• 측정된 계면 마찰 응력과 국소적 경계면 기하학(곡률, 침투 깊이)을 연관시켜 마찰 기여도를 분리하였다.
• 유량 및 경계면 영상 동시 촬영을 가능하게 하기 위해 공면 초점 평면 정렬을 적용한 특수 실험 장치를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미세유체 장치에서 초소수성 표면의 액체-공기 계면이 비제로의 마찰 응력을 유지할 수 있는가? 이는 마찰이 없는 경계 조건을 도전하는가?
• RQ2 경계면 형상과 위치는 초소수성 미세유체 채널에서 효과적 슬립 길이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 액체-공기 계면에서의 계면 마찰은 초소수성 표면의 마찰 감소 잠재력에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 경계면 형상 변화와 계면 마찰 응력은 캐시 상태에서의 슬립 감소에 대해 상대적으로 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 표면 오염물질 또는 레이저 유도 열 효과는 미세유체 실험에서 측정 가능한 계면 마찰을 유발할 수 있는 타당한 원인인가?

주요 결과

• 초소수성 표면의 액체-공기 계면에서 측정 가능한 비제로 마찰 응력이 관찰되어 표준의 마찰이 없는 경계 조건을 위반한다.
• 효과적 슬립 길이가 이론적 예측보다 현저히 낮게 나타났으며, 전반적 슬립 길이가 측정 위치에 따라 최대 40%의 변동성을 보였다.
• 경계면이 흐름 채널으로 돌출하는 것—국소적 형상과 위치에 기인—이 슬립 감소의 주요 원인으로 규명되었으며, 침투 깊이가 슬립 길이 감소와 직접적으로 상관 관계가 있었다.
• 오염 입자 또는 레이저 유도 열 효과로 인한 계면 마찰은 중요한 저항원으로 밝혀졌으며, 경계면 형상 변화의 악영향과 비슷한 크기의 영향을 미쳤다.
• 안정된 캐시 상태에서도 평탄하거나 약간 변형된 경계면이 있더라도 효과적 슬립을 보장하지 못하며, 계면 마찰이 지배적일 수 있다.
• 이 연구는 비변형된 액체-공기 계면만으로는 마찰 감소를 보장하지 못함을 첫 번째 직접 실험적 증거로 제시하며, 계면 마찰 응력이 여전히 성능을 제한할 수 있음을 밝혔다.