[논문 리뷰] Dynamic Contact Angle of a Soft Solid

Stefan Karpitschka, Siddhartha Das외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 20.

Surface Modification and Superhydrophobicity참고 문헌 2인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 액체 방울이 연성 기질 위에서 움직일 때, 변형된 고체 내에서 급격하고 이동하는 삐여남을 동적으로 생성함으로써 움직이는 것으로 제안한다. 이 삐여남의 방향은 접선 속도에 따라 달라진다. 물이 실리콘 젤 위에서 수행된 실험과 점성도 기반 이론을 통해 저자들은 동적 접촉 역학 각도를 정량적으로 예측하고, 삐여남 형성과 탈착을 통해 스위치-슬립 운동을 설명함으로써 연성 물질 및 마이크로점성도 응용 분야에 새로운 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Liquid drops on soft solids generate strong deformations below the contact line, resulting from a balance of capillary and elastic forces. The movement of these drops may cause strong, potentially singular dissipation in the soft solid. Here we show that a drop on a soft substrate moves by surfing a ridge: the initially flat solid surface is deformed into a sharp ridge whose orientation angle depends on the contact line velocity. We measure this angle for water on a silicone gel and develop a theory based on the substrate rheology. We quantitatively recover the dynamic contact angle and provide a mechanism for stick-slip motion when a drop is forced strongly: the contact line depins and slides down the wetting ridge, forming a new one after a transient. We anticipate that our theory will have implications in problems such as self-organization of cell tissues or the design of capillarity-based microrheometers.

연구 동기 및 목표

• 표면장력과 탄성력이 강한 변형을 유도하는 연성 기질 위에서 액체 방울의 동적 거동을 이해하기 위해.
• 연성 고체 위에서 방울 이동 중 소산과 스위치-슬립 운동의 메커니즘을 설명하기 위해.
• 실험적 및 이론적 접근법을 통해 접선 속도 함수로서의 동적 접촉 각도를 정량화하기 위해.
• 기질의 점성도와 접선 아래의 이동하는 젖음 삐여남 형성 간의 이론적 연관성을 수립하기 위해.
• 세포 조직 자가조직화나 표면장력 기반 마이크로점성도계에 적용 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 변형된 기질의 고해상도 영상 촬영을 통해 실리콘 젤 위의 물 방울의 동적 접촉 각도를 측정한다.
• 방울 이동 중 접선 아래에서 급격하고 이동하는 삐여남의 형성을 관찰한다.
• 기질의 점성도를 기반으로 한 이론적 모델을 개발하여 접선 속도 함수로서 삐여남의 형태와 방향을 기술한다.
• 이 모델을 사용해 동적 접촉 각도를 예측하고 실험 데이터와 정량적으로 비교한다.
• 접선이 탈착하고 새로운 삐여남이 재형성되는 조건을 분석하여 스위치-슬립 운동을 설명한다.
• 삐여남 역학을 에너지 소산과 표면장력 및 탄성력의 균형과 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 접선 속도가 연성 고체 내 변형 삐여남의 형태와 방향에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 기질의 점성도가 연성 고체 위의 방울 동적 접촉 각도를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 젖음 삐여남의 형성과 탈착은 어떻게 방울 확산 시 스위치-슬립 운동을 유도하는가?
• RQ4 탄성력과 표면장력 기반 이론 모델이 연성 기질에서 동적 접촉 각도를 정량적으로 예측할 수 있는가?
• RQ5 삐여남 역학은 세포 조직이나 마이크로점성도 장치와 같은 연성 물질 시스템에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 연성 기질은 움직이는 접선 아래에서 날카롭고 이동하는 삐여남으로 변형되며, 그 방향은 접선 속도에 따라 달라진다.
• 기질의 점성도 기반 이론을 통해 동적 접촉 각도가 정량적으로 예측되며, 실험 측정치와 일치한다.
• 접선이 탈착하고 삐여남을 따라 미끄러지면서 스위치-슬립 운동이 발생하며, 이후 일시적인 새로운 삐여남이 재형성된다.
• 삐여남 형성 메커니즘이 고속 근처에서 특이적일 수 있는 강한 소산을 설명한다.
• 이 이론은 점탄성 물질에서 표면장력 구동 동역학을 이해하는 데 프레임워크를 제공한다.
• 결과는 생물학적 자가조직화 및 표면장력 기반 마이크로점성도계 설계에 광범위한 적용 가능성을 시사한다.