Impact dynamics of a polystyrene suspension droplet on nonwetting surfaces measured using a quartz crystal microresonator and a high-speed camera

Abstract

We investigated the impact dynamics of droplets containing various sizes and concentrations of polystyrene microparticles (PSM) on superhydrophobic surfaces using a high-speed camera and a quartz crystal microresonator (QCM). Gold nanoflake structures were synthesized on QCM surfaces and treated with perfluorooctane ethylthiol molecules to obtain superhydrophobic characteristics. Upon the collision onto the superhydrophobic surface, the droplet spread, retracted, and bounced off the surface due to its nonwetting characteristics. Within the experimental range of PSM size and PSM concentration, the high-speed camera detected only negligible changes in the impact dynamics; however, abnormally large changes in the resonance frequency were observed with the QCM when the concentration or sizes of the PSM exceeded a certain threshold. The abnormal change in frequency was attributed to the formation of a shear-induced PSM structure.

본 논문에서는 초소수성 표면 위에 폴리스티렌 콜로이드 액적을 충돌 시켰을 때 초고속 카메라와 QCM장비를 이용 함으로써, 충돌 시 액적의 거동 및 계면과 콜로이드 사이의 관계를 분석하고자 하였다. QCM표면 위에 반복적인 금 환원 방식에 의한 금 나노플레이크 구조를 형성시켰고 이후, 표면개질을 통해 콜로이드 액적이 수십 번 충돌에도 초소수성 특성을 잃지 않는 표면을 제작하였다. 먼저 초고속 카메라를 통한 액적의 충격거동 분석 결과는 다음과 같았다. 액적이 표면과 충돌하는 시점부터 최대 퍼졌을 때 도달하는 시간보다 최대 퍼졌을 때를 시점으로 다시 튕겨져 나가는 시간이 더 오래 걸렸음을 확인할 수 있었다. 이를 확인하기 위해 다양한 농도를 가지는 액적에 대해서 실험한 결과 농도가 높을수록 되돌아 오는 시간이 더 오래 걸렸음을 확인 할 수 있었고, 최종적으로 액적 내부의 입자와 표면과의 마찰 혹은 점도에 의해 위와 같은 현상이 발생됨을 알 수 있었다. QCM을 통한 액적의 충격 거동 분석은 입자와 계면사이에 발생되는 현상에 대해서 관찰 할 수 있었고 이는 초고속 카메라를 통해서는 얻을 수 없는 정보였다. QCM위에 콜로이드 액적이 충돌할 때, 특정 이하의 농도 및 입자 사이즈에 대해서 수 Hz의 진동수의 변화량을 보이는 반면, 특정 이상의 농도 및 입자 사이즈가 충돌 되었을 경우 수 MHz의 진동수의 변화량을 보였다. 이는 특정 조건에서 콜로이드 액적 내부의 입자들이 충돌시점부터 최대로 퍼지는 그 기간동안, 표면위에 빽빽하게 뭉쳐진 후에 층으로 형성되어 QCM표면위에 새로운 고체층이 형성되어 큰 공명진동수의 변화량이 관찰 되었다고 추측하였다. 입자의 농도가 낮을 경우에는 입자간의 빽빽한 층이 형성되지 않고, 또한 입자의 크기가 커질수록 단위 질량당 차지하는 입자의 개수가 점차 줄어들기 때문에 마찬가지로 표면위에 빽빽한 층이 형성되지 않았다. 이는 비교군인 DI water 와 동일하게 수 Hz의 공명진동수의 변화량이 관찰되었고 위의 가설을 뒷받침 하였다. 이러한 결과를 바탕으로 기존에 초소수성 표면 위 콜로이드 액적의 충격 거동에서 계면과 입자간의 사이에서 벌어지는 현상에 대해서 처음으로 관찰 하였고, 이는 초고속 카메라를 통해 얻지 못하는 정보들 이므로, QCM이 새로운 충격거동 분석 장비로써 혹은 초고속 카메라와 함께 상호 보완적인 도구로 이용 될 수 있음을 보였다.