스위스 과학자들에 따르면, 일부 액체를 간단히 증발시킴으로써 특별히 디자인된 표면 상에서 물방울이 자발적으로 되튕겨질 수 있다는 것을 발견하였다. 이런 되튕김은 물방울이 정지할 때까지 연속적으로 더 높아진다. 이들 연구진은 이런 현상이 자체 정화 표면에 사용될 수 있을 것으로 믿고 있다. 되튕김은 잘 알려진 라이덴프로스트(Leidenfrost) 효과를 연상시킨다. 이 효과에서 액체 물방울은 프라이팬과 같은 뜨거운 표면 위에서 약간 부양될 수 있다. 물방울 아래의 고온은 액체 방울 일부를 증발시켜 아래 방향으로 잡아 당기는 중력의 일부를 상쇄시키는 증기 압력을 발생시킨다. 그 결과 물방울이 떠있게 된다. 라이덴프로스트 효과에서, 물방울은 평형 높이에 도달하기 전에 진폭이 감소되는 간단한 진동 운동을 하게 된다. 이때 압력 차이는 중력과 균형을 유지하기에 충분히 크다.
이 새로운 연구에서, 스위스 ETH 연구소 연구진은 물방울이 어떻게 낮은 압력에서 초소수성 표면과 상호작용하는지를 관찰하였다. 이들 연구진은 물을 배척하는 플루오로실란으로 코팅한 미세한 실리콘 마이크로기둥 어레이를 제작하였다. 그와 같은 물질은 초소수성이 될 수 있을 것으로 예상된다. 그 이유는 물방울이 마이크로기둥 상단에 위치하게 될 것이기 때문이다. 이것은 물방울과 표면 사이의 접촉 면적을 낮추고 따라서 물방울이 붙지 않게 될 가능성을 더 크게 만든다.
주변 기압에서, 이런 작은 접촉면은 물방울이 표면에 고정될 수 있기에 충분하다. 공기압을 낮추면 보통 초소수성 표면의 물배척 세기를 감소시킨다. 이것은 보통 그 아래에 공기가 더 적으면 물방울이 표면 아래로 더 깊이 빠지고 따라서 접촉 면적을 증가시키기 때문이다. 그러나 이들 연구진은 1% 대기압에서 물방울의 거동을 더 면밀하게 관측하였다. 그리고 이들 연구진은 마이크로 기둥에 대해서 상하로 되튕기는 것을 발견하였다. 이 때 크기는 계속 증가하였다.
이들 연구진은 되튕김이 낮은 압력의 추가적인 효과와 연관되어 있다는 것을 알아내었다. 그것은 공기의 습도를 낮추고 따라서 물방울이 더 신속히 증발할 수 있도록 해준다. 물방울의 상단으로부터 액체 증발은 공기 중에서 급속히 소실된다. 그러나 물방울의 아래에서는 상황이 다르다. 증기는 마이크로기둥 사이에서 쉽게 소실되지 않고 이것은 물방울 아래에서 압력을 발생시킨다. 이런 압력 발생은 충분히 커져서 물방울을 분리시킬 때까지 증가된다. 그리고 마침내 윗방향으로 올라가게 한다. 일단 물방울이 표면을 떠나가면, 압력은 방출되고 물방울은 표면으로 다시 내려온다. 이런 물방울은 다시 증기 압력에 의해서 발생된 추가적인 힘으로 윗방향으로 되튕겨진다. 이런 효과는 계속 반복되고 물방울의 증발은 증가된 에너지를 그것의 운동으로 전환시켜 그것이 더 높이 되튕겨지게 한다. 증발은 물방울이 급격하게 냉각되게 만들어 그것을 초냉각 액체 상태로 만든다. 물방울이 궁극적으로 얼게 되면 액체에서 고체로 변하는 동안에 엔탈피가 감소하여 온도가 갑작스럽게 증가한다. 이런 갑작스런 증기의 증가는 얼음 결정을 그 표면으로부터 몰아내버린다. 만약에 표면이 수직적이라면, 그것은 떨어져 나간다고 연구진은 말하였다. 만약에 바람을 불어주면 그것은 휩쓸려 나가 버린다.
독일 막스 플랑크 연구소에서 폴리머 연구를 하는 물리 화학자인 Doris Vollmer는 이들의 연구는 매우 흥미로운 것이지만, 대기압에서 작동하는 것은 아니기 때문에 아직 자체 정화 표면을 수행하기에는 실질적이 아니지만 기본적인 이해의 관점에서는 매우 중요한 연구라고 말하였다. 이들의 연구 결과는 네이처 저널에 발표되었다.
첨부그림: 왼쪽에서 오른쪽으로 보이는 이미지는 초소수성 실리콘 마이크로 기둥 표면 상에서 물방울의 되튕김을 보여주고 있다.
Bouncing droplets powered by evaporation
Water droplets will bounce spontaneously on a specially designed surface by simply evaporating some of their liquid, according to scientists in Switzerland. The bounces become successively higher until the droplets freeze. The researchers believe the effect could be put to work on self-cleaning surfaces.
The bouncing is reminiscent of the well-known Leidenfrost effect, whereby a droplet of liquid can levitate slightly above a hot surface such as a frying pan. The high temperature underneath the droplet evaporates some of its liquid to create a vapour pressure that offsets the downward pull of gravity and keeps the droplet afloat. In the Leidenfrost effect, the droplet oscillates briefly with decreasing amplitude before reaching an equilibrium height where the pressure differential is just enough to balance gravity.
In the new research, mechanical engineer Dimos Poulikakos and colleagues at ETH Zurich looked at how water droplets interact with superhydrophobic surfaces at low pressure. The researchers created arrays of tiny silicon micropillars coated with water-repellent fluorosilane. Such a material is expected to be superhydrophobic because water droplets will sit on top of the micropillars. This reduces the contact area between the droplet and the surface, and so makes it more likely that the droplet will not stick.
Pressure drop
At ambient atmospheric pressure, this small contact area is sufficient to keep droplets tethered to the surface. Lowering the air pressure normally reduces the water repellence of a superhydrophobic surface. This is because with less air underneath it, a drop will sink deeper into the textured surface, thereby increasing the contact area. However, when Poulikakos and colleagues looked closely at the behaviour of water droplets in 1% atmospheric pressure, they found them bouncing up and down on the micropillars with ever-increasing height (see image). "I was very surprised, of course," says Poulikakos.
The researchers have worked out that the bouncing is related to an additional effect of low pressure – it reduces the humidity of the air and thereby allows the droplet to evaporate faster. Liquid evaporating from the top of the droplet dissipates rapidly in the air. Underneath the droplet, however, things are different. Vapour cannot easily dissipate between the micropillars, and this generates pressure under the droplet that increases until it is large enough to detach the droplet and send it flying upwards. Once the droplet leaves the surface, the pressure is released and the droplet falls back down onto the surface. The droplet then bounces upwards with an extra kick generated by its vapour pressure. This effect is repeated again and again, and the evaporation of the droplet feeds increasing amounts of energy into its motion, causing it to bounce higher each time.
Supercool effect
Evaporation also causes the droplet to cool rapidly, putting it into a supercooled-liquid state. When the droplet does eventually freeze, the decrease in enthalpy in passing from liquid to solid causes a sudden increase in its temperature, and a consequent increase in how much vapour it sheds. The sudden increase in vapour then propels the ice crystal away from the surface.
"If the surface is vertical, it will fall off," says Poulikakos. "If a breeze blows, it will blow it off." Even if an ice crystal falls back down after it freezes completely, it will be much easier to remove than the crust of ice that would form if water froze on the surface, he explains.
Physical chemist Doris Vollmer of the Max Planck Institute for Polymer Research in Germany is impressed. "It's beautiful and very amazing work – I would never have guessed this," she says. She cautions that, at present, this is not a practicable proposal for a self-cleaning surface because it does not work at atmospheric pressure, but she concludes that "the aim of science is fundamental understanding and, from the point of view of fundamental understanding, it's brilliant".
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