미끄러운 자연에 물방울이 수렴하는 방법

물, 혈액, 기름 등의 유체를 완전히 밀어내는 표면은 공학 및 재료 과학 분야에서 오랫동안 연구해 온 분야입니다. 이러한 물질은 물 수확에서부터 식품 가공, 생물 의학 기술에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 적합합니다. 연구자들이 이러한 기능을 갖춘 재료를 개발하는 데 진전을 이루었음에도 불구하고 유체가 그러한 표면에서 정확히 어떻게 작용하는지는 불분명합니다. Nature Communications의 최근 논문에서 연구자들은 기름이 스며든 표면의 표면에서 물방울이 어떻게 합쳐지는지를 처음으로 설명했습니다.

10여년 전, 미국과 프랑스의 연구 그룹은 자연에서 발견되는 메커니즘에서 영감을 받아 유체 반발 표면을 고안하기 위한 새로운 접근 방식을 독립적으로 제안했습니다. 그들의 아이디어는 기판 표면에 미세한 구조를 추가하고 전체를 기름으로 코팅하는 것이었습니다. 다공성 질감은 모세관력으로 오일을 제자리에 고정하고 물방울이나 기타 유체가 들러붙지 않고 결함 없는 표면에서 미끄러질 수 있습니다. 현재 코넬대학교 재료과학 대학원생이자 이번 연구의 제1저자인 Haobo Xu는 “이것들은 매우 유망한 특성을 많이 갖고 있는 것으로 보고됐다”고 말했다. 그러나 동시에 미끄러운 표면의 물방울 거동에 대한 물리학은 철저하게 연구되지 않았다고 그는 말합니다. 앤아버에 있는 미시간 대학과 콜럼버스에 있는 오하이오 주립 대학의 연구원들이 최근 발표한 논문에서는 물방울이 정확히 어떻게 수렴하는지 설명합니다. 그들은 물방울이 서로 가깝게 형성될 때(완전히 접촉하지는 않음) 그 사이에 기름으로 만들어진 젖는 능선을 형성한다는 것을 발견했습니다. 그 능선은 물방울 사이의 인력을 촉진하여 서로 끌어당겨 합쳐지게 합니다.

기계공학자인 솔로몬 아데라(Solomon Adera)가 이끄는 미시간 에너지 수송 연구소(ETL)의 대학원생인 Yimin Zhou는 “우리 연구는 두 개의 물방울이 어떻게 합쳐지는지를 보여줍니다. 특히, 그녀는 물방울이 다른 소수성 물질보다 기름으로 코팅된 공학적 표면에서 더 느리게 결합하지만 더 빨리 빠져 나가는 것을 발견했다고 말했습니다. “윤활 처리된 표면은 응축 속도를 향상시킬 수 있습니다.”라고 Zhou는 덧붙입니다.

그녀는 이러한 특성으로 인해 이 물질이 응축이나 물 수집과 관련된 응용 분야에 매력적인 후보가 된다고 말했습니다. 예를 들어, 증기 구동 발전소에서는 물을 끓이면 증기가 생성되고 증기는 터빈을 회전시켜 전기를 생산합니다. 증기를 수집하고 응축하여 액체로 되돌립니다. 만약 새로운 재료가 응축기에 사용된다면, 공장은 사용된 물을 더 빨리 수집할 수 있고, 아마도 시스템을 더 효율적으로 만들 수 있을 것이라고 그녀는 말합니다. Zhou는 “이 물질은 특히 식수가 많지 않은 건조한 지역에서” 공기 중에서 물을 수확하는 장치에도 사용될 수 있다고 말했습니다. 기름이 함유된 재료는 세균을 포함한 재료가 용기 측면에 달라붙는 것을 방지하기 때문에 식품 가공 및 보관에도 유용합니다.

최초의 오일 함침 표면은 프랑스 물리학자 David Quéré의 2005년 논문에 나타났습니다. 2011년에 하버드 대학의 Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering에 기반을 둔 그룹은 육식 투수 식물이 먹이를 잡는 방법에서 영감을 받은 물질을 개발했습니다. 식물은 덫을 덮는 매끄러운 물질을 분비하고, 불운한 곤충은 투수 밑 부분의 소화액 속으로 미끄러져 들어갑니다. 그들은 미끄러운 액체 주입 다공성 표면을 위해 디자인을 SLIPS라고 명명했습니다. 다른 그룹은 유사하게 표면에 작은 구멍을 사용하여 기름을 가두는 디자인을 설명했습니다. 두 경우 모두 물방울이 잡히지 않고 쉽게 미끄러졌습니다.

세인트 루이스에 있는 워싱턴 대학의 기계 엔지니어인 Patricia Weisensee는 재료를 조사해 온 열유체 연구 그룹을 이끌고 있습니다. 그녀의 그룹과 다른 사람들은 기름이 묻은 표면을 어떻게 물방울이 빠르게 움직일 수 있는지 보여주었습니다. “응결 중에는 미세한 물방울도 서로 끌어당겨 표면에 매우 강한 움직임을 만듭니다.”라고 그녀는 설명합니다.

미시간 연구원들은 공정에 대해 더 알고 싶었기 때문에 먼저 기판에 가로 10마이크로미터 미만, 높이 30마이크로미터 미만의 작은 실리콘 기둥 배열을 제작하여 재료를 만들었습니다. 그들은 실리콘 오일의 얇은 층으로 표면을 코팅했습니다. 그런 다음 직경이 약 1mm, 간격이 약 2.8mm인 두 개의 물방울을 배치하고 촬영을 시작했습니다. 연구자들은 기름이 접촉 지점에서 각 물방울 주위에 습윤 능선을 형성하고, 두 물방울 사이에서 습윤 능선이 더 높아지는 것을 관찰했습니다.