Effect of Surface Nanostructures on the Impact Dynamics of Water Droplets

Abstract

다양한 생체 모방 기술 중에서 표면 습윤성에 대한 연구는 이론적 중요성과 실제 응용 분야에서의 광범위한 영향 때문에 오랫동안 관심 받은 연구 분야입니다. 초소수성 표면은 물 접촉각이 150도 이상인 표면으로, 표면 재질의 소수성 및 표면 형태의 거칠기에 의해 물이 표면 구조로 침투하는 것을 방지하여 표면에 공기층을 고정하는 것과 동일한 효과가 있습니다. 초소수성 표면은 다양한 응용 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있지만 실제 생활에서 초소수성 표면을 적용하는 데에는 아직 문제가 있습니다. 대표적으로 초소수성 표면은 장기간 사용하거나 동적 조건에서 사용할 경우 안정성에 문제가 있습니다. 일반적인 환경에서는 수중이면 수압, 빗방울이면 운동 에너지 등 다양한 외력으로 표면에 접촉합니다. 이 과정에서 초소수성의 안정성은 평형 상태에서 얻은 접촉각으로 대변하기 어렵고 표면의 젖음 방지 압력인 모세관 압력으로 연구되어야 합니다. 충격 역학은 표면 위에서의 물방울의 동적 거동을 조사하는 것뿐만 아니라 젖음 방지 압력을 판단하기 위해 연구되었습니다. 제2장에서는 수정 미세 저울을 사용하여 충격 역학을 분석하는 정량적이고 표면에 민감한 방법이 개발되었습니다. 동적 조건에서 물방울 거동의 정량적 분석은 젖음성 제어 표면의 응용 분야에서 중요한 과제 중 하나입니다. 현재 다양한 광학 분석 기술이 충격 역학을 분석하기 위해 사용되었습니다. 물방울을 직접 관찰하는 편리함에도 불구하고 이러한 기술의 대부분은 현미경 및 정량적 조사에 제한적으로 적용됩니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 이 연구에서는 충격 역학을 연구하기 위해 수정 미세 저울을 사용하는 보완 분석 플랫폼을 제안합니다. 고속 카메라와 QCM을 함께 적용하여 다양한 웨버 수에 따라 젖음성 제어 표면에 영향을 미치는 물방울의 거동을 연구했습니다. 이 실험을 위해 산화 아연 나노 와이어 표면을 합성하고 표면 에너지를 제어하기 위해 다양한 탄소 사슬 길이 (C0 – C12)를 가진 알킬-티올 분자에 의해 화학적으로 변형되었습니다. 표면 에너지가 높은 나노 와이어 표면 (C0 – C6)과 가장 낮은 표면 에너지 샘플 (C18)의 경우 두 방법 모두 매우 일관된 충격 역학을 나타내어 각각 안정적인 습윤 및 되튕김 특성을 나타냈습니다. 이러한 일관된 관찰 결과 외에도 수정 미세 저울은 공명진동수 감지를 기반으로 정량적 방식으로 물방울의 침투 및 변형에 관한 자세한 미세수준 정보를 제공할 수 있었습니다. 더 흥미롭게도 수정 미세 저울은 고속 카메라로는 감지할 수 없는 높은 웨버 수를 가진 C12 표면의 발수성이 준-안정적임을 확인할 수 있었습니다. 이 결과는 정량적, 미세수준 조사를 통해 물방울의 영향 역학을 분석하는 새로운 플랫폼으로서 수정 미세 저울의 중요한 잠재력을 시사합니다. 제3장에서는 고속 카메라를 사용하여 초소수성 표면의 물방울 깨짐 방지 특성에 대한 기공 구조의 효과를 조사했습니다. 열린 공기 주머니가 있는 산화 아연 나노 와이어와 밀폐된 공기 주머니가 있는 양극 산화 알루미늄을 합성한 후 저에너지 자기 조립 단층으로 처리하여 두 초소수성 표면을 준비했습니다. 초소수성 산화 아연 표면의 물 접촉각은 초소수성 양극 산화 알루미늄 표면과 거의 동일했습니다. 그러나 초소수성 양극 산화 알루미늄 표면은 초소수성 산화 아연보다 더 큰 접착력을 보였는데, 이는 공기 주머니 구조의 차이에 기인합니다. 또한 물방울이 초소수성 양극 산화 알루미늄 표면에 충돌했을 때 표면은 높은 접착력으로 인해 물방울이 꺠지는 것을 효과적으로 억제했습니다. 대조적으로, 초소수성 산화 아연은 일반적인 초소수성 표면처럼 충돌하는 물과 고체 표면 사이에 존재하는 연결된 공기층으로 인해 물방울 깨짐을 촉진했습니다. 초소수성 양극 산화 알루미늄 표면의 물 접착력은 물방울의 깨짐 억제효과뿐만 아니라 물줄기의 되튕김 방지도 유도하는 것이 관찰되었습니다. 이 결과는 접착력 있는 초소수성 표면을 이용하여 기존의 항오염성 특성을 유지하면서도 주변 환경으로의 오염 확산을 억제할 수 있는 가능성을 시사합니다.

Among the various biomimetic techniques, the study of surface wettability has long been of interest not only because of its theoretical importance but also because of its broad influence in practical applications. Superhydrophobic surfaces are surfaces with a water contact angle of more than 150o, and have the same effect as fixing an air layer on the surface by preventing water from penetrating into surface structure by the hydrophobicity of the surface material and roughness of the surface morphology. Superhydrophobic surfaces has a huge potential in various application, but there are problems to apply the superhydrophobic surfaces in real life. Typically, the superhydrophobic surface has a problem in stability when used for a long period of time or under dynamic conditions. Water doesn't always contact superhydrophobic surfaces gently. In a general environment, it contacts the surface with various external forces such as water pressure if it is underwater, kinetic energy if it is raindrops. In this process, the stability of superhydrophobicity is difficult to represent with the contact angle obtained from the equilibrium state, and must be expressed by the capillary pressure which is anti-wetting pressure of the surface. Impact dynamics were studied not only for investigating dynamic behavior of the water droplets on a surface but for determining anti-wetting pressure. In chapter 2, quantitative and surface-sensitive method to characterize impact dynamics was developed using a quartz crystal microbalance. Quantitative analysis of water droplet behavior under dynamic conditions is one of the critical challenges for applications of wettability-controlled surfaces. Currently, various optical analysis techniques have been employed to analyze impact dynamics. Despite the convenience of direct observation of water droplets, most of these techniques have limited applicability to microscopic and quantitative investigations. In an effort to overcome these limitations, here, we suggest a complementary analysis platform using a quartz crystal microbalance (QCM) to study impact dynamics. A high-speed camera and QCM were applied together to study the behavior of water droplets that impact wettability-controlled surfaces with various We numbers (Weber number). For these experiments, ZnO nanowire surfaces were prepared and chemically modified by alkyl-thiol molecules with various carbon chain lengths (C0 – C12) to control the surface energy. For nanowire surfaces with high surface energies (C0 – C6) and for the lowest surface energy sample (C18), both methods exhibited highly consistent impact dynamics, showing stable wetting and dewetting properties, respectively. In addition to these apparent behaviors, QCM was further able to provide detailed microscopic information regarding the penetration and deformation of water droplets in a quantitative way based on acoustic sensing. More interestingly, QCM was able to determine the metastable water repellency of a C12-modified surface with a high We number, which could not be detected by the high-speed camera. These results suggest the significant potential of QCM as a new platform to analyze the impact dynamics of water droplets via quantitative, microscopic investigations. In chapter 3, the effect of pore structures on the anti-splashing properties of superhydrophobic surfaces investigated using a high-speed camera. Zinc oxide (ZnO) nanowires with open air pockets and anodic aluminum oxide (AAO) with sealed air pockets were synthesized and subsequently treated with a low-energy self-assembled monolayer to render their surfaces superhydrophobic. The water contact angle of the superhydrophobic ZnO surface (SH-ZnO) was almost identical to that of the superhydrophobic AAO surface (SH-AAO); however, SH-AAO exhibited greater adhesion than SH-ZnO, which we attributed to the difference in the structures of air pockets. In addition, when a water droplet impacted SH-AAO, the surface effectively suppressed droplet splashing because of high adhesion; by contrast, the conventional superhydrophobic surface (i.e., SH-ZnO) promoted droplet splashing because of the presence of an air layer between the impacting water and the solid surface. The anti-splashing behavior of SH-AAO was observed not only for the impact of a water droplet but also for the impact of a water jet on the surface.