표면 위 액체 움직임을 조절하는 분야에서, 슈퍼 혐수성 표면은 잘 문서화되어왔다. 하지만, 물 고정 표면의 디자인에 대한 보고는 비교적 드물다.

물 고정 특성을 가진 합성 표면들을 만드는 것은 건조 지역 내 주민을 위한 수자원으로 물방울 수집, 농업 국가들 내 온실 필름을 위한 흐름 방지 기능, 미세유체 및 분광기 내 액체 이동과 조절, 구조 유전체학, 프린팅과 코팅 기술에서 커피-링 (coffee-ring) 효과의 감소 등 광범위한 기술 이용들이 있다고 싱가포르 물질 연구 공학 연구소 패터닝 및 제조 그룹의 연구 과학자들인 재슬린 비 콴 롸 (Jaslyn Bee Khuan Law) 박사와 홍 위 로우 (Hong Yee Low) 박사가 설명했다.

롸 박사는 그녀와 그녀의 동료들이 어떠한 화학적인 처리 없이 나노임프린트된 표면 구조들을 통해 매우 높은 물 고정력을 가진 폴리머 필름들을 얻었다고 보고한 "Bioinspired Ultrahigh Water Pinning Nanostructures"라는 제목으로 랭뮤어 지에 소개된 논문의 주저자이다.

이 연구는 조절가능 물 고정력을 가진 폴리머 표면을 조정하기 위해 나노구조의 단순 지형 경험주의 디자인을 제공하여 물 고정 표면들을 개발하는 것이다. 이 나노구조들은 높은 물 고정력을 얻기 위해 표면 상 물방울의 고체-액체 접촉선 길이를 매우 증가시키도록 디자인되었다.

이 표면 구조들의 시스템적인 변화를 통해, 연구원들은 연속 고체-액체 접촉선을 보장하도록 나노구조들의 두 표면 구조적 특성를 결합함으로써 합성 폴리머들 상에서의 초고 물 고정력을 실현했다. 이 나노구조들은 1) 원뿔형 혹은 포물선 모양의 나노돌출과 2) 등방성 및 연속적인 나노돌출이다.

또한, 이 구조적 디자인 규칙들은 산업체 적용에 대한 장래성을 확실히 보장하는 합성 필름들 상으로 쉽고 조절 가능하게 확장될 수 있다.

연구원들의 연구는 2008년 지앙 (Jiang)의 연구그룹에 의해 보고된 자연적인 표면 상에 원뿔 모양의 연속 마이크로돌출 거칠기의 결과인 장미꽃잎의 물 고정 특성에서 영감을 얻었다.

 

장미꽃잎 표면 마이크로구조들의 추정과 물 고정 특성의 정반대를 보여주는 연잎의 표면 구조들과 대비하여 연구원들은 특정 표면 디자인들을 가진 나노구조들의 이용이 초고 물 고정 표면을 얻기 위해 표면 상에 물방울의 총 고정력을 지배하는 고체-액체 접촉선의 길이를 증가시킬 수 있다고 주장하고 있다. 연구원들의 실험적 결과들은 이 추론을 증명하는 것이다.

연구원들의 보고에서, 연구팀은 증발하는 액체 내 용질의 균일한 분포 조절이 필요한 코팅/프린팅 기술에서 마이크로배열 분석까지의 많은 실용적이고 산업적인 응용에서 직면한 문제인 용액 기반 증착 내 커피-링 효과의 감소로 합성 필름의 실제적인 응용을 선보였다.

 

그러므로 이 링-같은 효과를 감소시키는 방법들은 용매 화학이나 액체 현탁 내 입자 모양과 성분에 주로 집중되었다. IMRE 연구팀은 환경 친화적인 방법인 기판 상 구조 이용을 통한 커피-링 효과를 감소시킬 수 있다는 것을 보였다.

롸 박사는 이런 직접적인 응용 이외에 이 같은 종류의 합성 필름에서 직접적으로 혜택을 얻을 수 있는 두 가지 다른 응용이 흐름 방지 온실 필름과 구조적인 유전체학이라고 설명했다.

온실 내에서 지붕 위에서의 물방울 응집은 일출과 일몰 동안 발생한다. 식물 위로 바로 떨어지는 물방울들은 이런 조절된 환경 내에서 식물 성장에 매우 해롭다.

 

이 문제를 감소시키기 위해 흐름 방지 필름이 온실의 지붕에 이용된다. 이 필름들은 흐름 방지 기능을 얻기 위해 표면 장력을 개선하려고 화학적인 부가물들을 이용한다. 그러나, 이 부가물질들은 계속 떨어져나가 계속적으로 교체되어야 한다.

필름 상에 훌륭한 물 고정을 얻는 구조적인 방법들을 이용하는 새로운 접근방법은 이 응용에서 잠재적으로 이용될 수 있다. 이는 물 고정 특성을 가진 필름에 이용된 구조가 필름의 부분이거나 영구적으로 장식되어 더 편리하고 가격 효율적인 해법을 제시해 준다.

구조적인 유전체학에서, 고품질 단백질 결정들은 기판 상으로 단백질 포함 물방울 결여가 뒤집혀 걸리는 현적배양 방법을 이용하여 일반적으로 성장된다. 큰 물 고정력을 가진 연구팀의 합성 필름은 많은 양의 고품질 단백질 결정을 얻기 위해 이 응용에 이용될 수 있다.

이는 산업적인 적용을 위해 대형으로 제조될 수 있는 향상된 기능 표면들을 조절하기 위해 자연계에서 영감을 얻은 생체모방 표면을 연구하는 단순한 하나의 보기이다.

그림 설명: 합성적으로 제조된 나노돌출 지형의 물 고정 능력과 투명한 독립 폴리카보네이트 필름 상에 패턴된 다양한 구조적 특성들에 의해 보여준 수량화된 물 고정력의 비교를 보여주는 이미지들.

 

(a, b) 샘플이 수직으로 기울어지고 뒤집힐 때 표면 상으로 고정되어 있는 물방울을 보여주는 제조된 나노돌출 패턴 폴리카보네이트 사진들. (b) 내 삽입그림은 샘플이 뒤집힐 때 물방울의 반응 모양과 고정력을 보여준다. (c) 거의 뒤집혔을 때 나노돌출 패턴 폴리카보네이트 필름 상에 고정된 물방울 배열을 보여주는 사진.