[논문 리뷰] Hydration lubrication of polyzwitterionic brushes leads to nearly friction- and adhesion-free droplet motion

Dan Daniel, Alfred Yu Ting Chia외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 17.

Surface Modification and Superhydrophobicity참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 수화 라이브레이션을 통해 폴리지아이온성 브러시가 기름 방울의 거의 마찰 없고 부착 없이 움직일 수 있음을 입증한다. 여기서 기름 방울과 기초 사이에 안정적인 나노스케일 수막(100–500 nm 두께)이 형성된다. 광학 간섭측정법과 자체 제작된 방울력 장치를 사용하여 저자들은 마찰력과 부착력을 nN 수준으로 측정하였으며, 이는 기존 초유소수성 표면보다 수 개체 수준 낮은 값이다. 이는 수화층 내 점성 소산이 주요 메커니즘임을 확인한다.

ABSTRACT

Recently, there has been much progress in the design and application of oil-repellent superoleophobic surfaces. Polyzwitterionic brush surfaces are of particular interest, because of their ability to repel oil under water, even in the absence of micro-/nano-structures. The origin of this underwater superoleophobicity is attributed to the presence of a stable water film beneath the oil droplet, but this had not been demonstrated experimentally. Here, using optical interferometric techniques, we show that an oil droplet effectively hydroplanes over a water film, whose thickness is between one hundred and hundreds of nanometres. In addition, using a custom-built Droplet Force Apparatus, we measured the friction and adhesion forces to be in the nN range for millimetric-sized droplets. These forces are much lower than for other classes of well-known liquid-repellent surfaces, including the lotus-effect and lubricant-infused surfaces, where the typical force is on the order of $μ$N

연구 동기 및 목표

• 폴리지아이온성 브러시 상의 기름 방울 아래에 안정적인 수화층 존재를 실험적으로 확인하는 것.
• 이러한 표면에서 밀리미터 크기의 기름 방울에 작용하는 마찰력과 부착력을 마이크로미터 이하의 해상도로 측정하는 것.
• 방울 운동 역학과 계면수막 두께 사이의 관계를 설정하는 것.
• 레오본 잎 표면 및 윤활유 침탄 표면과 같은 기존 초유소수성 표면과 비교하여 폴리지아이온성 브러시의 힘 척도 및 동적 반응 성능을 평가하는 것.
• 실험 데이터를 바탕으로 마찰력과 부착력에 대한 척도 법칙을 수립하고 검증하는 것.

제안 방법

• 유리 및 실리콘 기초에 폴리(설포베틴 메타크릴레이트)(PSBMA) 브러시를 성장시키기 위해 표면에서 시작하는 아연전이 라디칼 폴리머화(SI-ATRP)를 사용하였다.
• 건조 및 습윤 상태의 브러시 두께를 측정하기 위해 굴절도측정법과 원자력현미경(AFM)을 사용하였으며, 수화 시 50% 팽창이 일어남을 확인하였다.
• 561 nm 빛을 사용한 반사 간섭대비현미경(RICM)을 적용하여 박막 간섭 무늬를 통해 계면수막 두께를 직접 시각화하고 정량화하였다.
• 캔틸레버의 굽힘 변화를 모니터링하여 마찰력과 부착력을 nN 해상도로 측정하기 위해 자체 제작된 방울력 장치(DFA)를 설계 및 제작하였다.
• 다양한 방울 속도(U = 4–2000 μm/s)와 캐필라리 수치(Ca = 8×10⁻⁸ – 4×10⁻⁵)에서 힘 측정을 수행하고, 유속 및 방울 크기 의존성 분석을 수행하였다.
• 비차원화된 척도 관계를 수립하고 검증하였으며, 이는 캐필라리 수치와 방울 반경에 따라 마찰력과 부착력을 연결하는 데 목적이 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폴리지아이온성 브러시 상의 기름 방울 아래에 존재하는 수화층의 실제 두께는 얼마이며, 이는 계면력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 폴리지아이온성 브러시에서의 마찰력과 부착력은 레오본 잎 또는 윤활유 침탄형과 같은 기존 초유소수성 표면에서의 값과 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ3 폴리지아이온성 브러시에서 마찰력과 부착력은 방울 속도와 방울 크기에 따라 어떤 기능적 의존성을 가지는가?
• RQ4 관찰된 초저항력은 수화막 내 점성 소산에 의해 설명될 수 있으며, 이는 이론적 척도 법칙과 일치하는가?
• RQ5 접촉선의 고착과 방울 기저부의 점성 유동이 측정된 힘에 지배적인가, 또는 부피 유동이나 표면장력 효과가 더 큰가?

주요 결과

• RICM를 사용한 간섭 무늬를 통해 직접 시각화하고 정량화한 결과, PSBMA 브러시 상의 기름 방울 아래 수화층 두께는 100–500 nm이다.
• 폴리지아이온성 브러시에서의 마찰력과 부착력은 nN 수준이다(예: 2 μm/s에서 F_adh,min = 20 nN), 이는 레오본 잎 또는 윤활유 침탄 표면에서 관측된 μN 수준의 힘보다 현저히 낮다.
• 안정적인 수화층이 유지될 경우, 마찰력은 F_fric ∝ U²/³ 비례하고 부착력은 F_adh ∝ U⁰.⁶ 비례함을 보여, 점성 소산이 에너지 손실의 주요 기여 요소임을 시사한다.
• 수화층이 불안정할 경우(예: 얇은 브러시에서), 힘은 >1 μN으로 증가하고 속도에 독립적이며, 고착에 의해 지배되는 행동을 보임을 나타낸다.
• 비차원화된 마찰력 F_fric/(2rγ)는 0.001–0.01 범위이며, 이는 동일한 범위의 접촉각 히스테리시스 Δcosθ에 해당한다. 이는 레오본 효과 표면의 Δcosθ = 0.05–0.10과 비교해 한 수준 낮은 값이다.
• 방울력 장치(DFA)는 제어 실험을 통해 기저부의 점성력과 고착력만을 효과적으로 분리함을 확인하였으며, 표면에서 멀리 떨어진 방울에서는 캔틸레버 굽힘이 관찰되지 않았다.