[논문 리뷰] Mechanism of Contact between a Droplet and an Atomically Smooth Substrate

Jack Hau Yung Lo, Yuan Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 04.

Surface Modification and Superhydrophobicity인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 원자적으로 매끄러운 기질에 대한 방울 접촉을 가속화하는 두 가지 주요 메커니즘을 규명한다: (1) 미세한 외란으로 인해 회전 대칭성이 깨지면서 발생하는 방울의 미끄러움으로 인해 가장 얇은 간극 지점에서 조기에 접촉이 발생하고, (2) 약 0.1 mm/s의 경계 유동이 공기 배출을 10배 이상 빠르게 한다. 이러한 메커니즘은 이론적 예측(~10–100 s)과 실험 관측(~0.1 s) 사이의 오랫동안 지속된 모순을 해결한다.

ABSTRACT

When a droplet gently lands on an atomically smooth substrate, it will most likely contact the underlying surface in about 0.1 s. However, theoretical estimation from fluid mechanics predicts a contact time of 10 to 100 s. What causes this large discrepancy, and how does nature speed up contact by 2 orders of magnitude? To probe this fundamental question, we prepare atomically smooth substrates by either coating a liquid film on glass or using a freshly cleaved mica surface, and visualize the droplet contact dynamics with 30 nm resolution. Interestingly, we discover two distinct speed-up approaches: (1) droplet skidding due to even minute perturbations breaks rotational symmetry and produces early contact at the thinnest gap location, and (2) for the unperturbed situation with rotational symmetry, a previously unnoticed boundary flow around only 0.1 mm/s expedites air drainage by over 1 order of magnitude. Together, these two mechanisms universally explain general contact phenomena on smooth substrates. The fundamental discoveries shed new light on contact and drainage research.

연구 동기 및 목표

• 원자적으로 매끄러운 기질에서의 방울 접촉 시간에 대한 이론적 예측(~10–100 s)과 실험적 관측(~0.1 s) 사이의 근본적인 모순을 해결하기 위해.
• 외부 외란이나 표면 거칠기 없이 초매끄러운 표면에서 공기 배출 및 방울 접근 동역학을 조사하기 위해.
• 대칭성 파괴 스카이딩 및 경계 유동에 의한 공기 유동과 같은 이전에 간과된 메커니즘을 특정하고 정량화하기 위해.
• 공기 간극 두께와 필름 변형을 실시간 측정하기 위한 고해상도 영상 기술(이중 파장 간섭계 및 고속 공형 프로파일로미터)을 개발하기 위해.

제안 방법

• 표면 거칠기를 최소화하기 위해 실리콘 오일 코팅 유리(30±5 μm 두께) 또는 신선하게 갈라진 밀라를 원자적으로 매끄러운 기판으로 사용하였다.
• 30 nm 해상도로 공기 간극 두께를 측정하기 위해 434 nm 및 546 nm 파장의 이중 파장 간섭계를 적용하였다.
• 액체 깊이와 형광 밝기 간 상관관계를 이용해 20 ms 이내에 마이크론 해상도로 오일 필름 변형을 맵핑하기 위해 고속 공형 프로파일로미터를 사용하였다.
• 표면 파동을 억제하고 정적 접근을 보장하기 위해 저충격 속도(0.005–0.5 m/s)와 고점성 방울(10–100 cSt)을 사용하여 실험를 수행하였다.
• 고속 카메라(10,000 fps)를 동기화하여 방울 접근 및 접촉 과정의 측면 및 하단 시각을 촬영하였다.
• 유체역학 이론 모델링은 윤활 이론과 힘 평형을 기반으로 하며, W = F로 표현되며, 여기서 W = mg이고 F = −(3πR⁴ηₐ/2h³)(dh/dt)로 주어지며, 이로 인해 Δt ∝ h⁻³이 된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 윤활 이론은 10–100 s로 예측하지만, 원자적으로 매끄러운 기판에서는 실제로 약 0.1 s에 접촉하는가?
• RQ2 어느 정도의 메커니즘이 매끄러운 표면과 방울 사이의 좁은 간극에서 예측된 느린 공기 배출을 극복하는가?
• RQ3 미세한 외란이나 대칭성 파괴는 접촉 동역학과 공기 배출 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 외부 힘이 없는 조건에서 방울 가장자리 근처의 경계 유동이 공기 배출 속도를 어느 정도 가속화하는가?
• RQ5 고해상도 영상 기술이 충분한 시간적·공간적 정밀도로 공기 간극과 필름 변형 동역학을 해석할 수 있는가?

주요 결과

• 미세한 외란으로 인해 회전 대칭성이 깨지면서 발생하는 방울의 스카이딩은 공기 간극의 가장 얇은 지점에서 조기에 접촉을 유도하여 접촉 시간을 크게 감소시킨다.
• 외란이 없고 회전 대칭성이 유지되는 조건에서는 약 0.1 mm/s의 경계 유동이 공기 배출 속도를 10배 이상 가속화한다.
• 스카이딩과 경계 유동이라는 두 메커니즘은 매끄러운 표면에서의 빠른 접촉을 보편적으로 설명하며, 이론과 실험 간의 100배 차이를 해결한다.
• 고해상도 이중 파장 간섭계를 통해 접근 중 공기 간극 프로파일 측정에 30-nm 해상도를 달성하였다.
• 고속 공형 프로파일로미터를 통해 20 ms 이내에 마이크론 해상도로 오일 필름 변형을 맵핑할 수 있었으며, 이는 동적 표면 프로파일을 드러내었다.
• 이론적 모델링은 접촉 시간이 h⁻³에 비례함을 확인하였으며, 주로 최종 나노스케일 간극(h₂ < 100 nm)에서 기여함을 설명하며, 윤활 이론이 예측하는 극도로 느린 감속 현상을 설명한다.