BYU 캠퍼스 기반 연구실 내에서 기계공학 교수인 줄리에 크로켓 박사는 공처럼 튀며 경사로를 굴러내려가는 물방울들을 분석했다. 이 현상으로 크로켓 박사와 그녀의 동료 댄 마이네스 박사가 수퍼반수성 경사 채널이나 젖기 힘든 표면을 개발했다. 일반적으로 이 형태들은 방수의 매우 극단적인 형태이다.
크로켓 박사와 마이네스 박사와 같은 공학자들은 수많은 실생활 응용으로 인해 수퍼반수성 표면을 수 십년 동안 연구해 왔다. 몇 가지 연구가 신발이 젖지 않게 하거나 볼트 상에 기름이 덮이지 않게 하는 상업 부품들을 개발했지만, BYU 두 교수는 사회를 위해 광범위한 해법을 목표로 그 특성을 자세히 밝혀내고 있다.
Physics of Fluids 학술지 내 게재된 주제에서 최근 연구는 어떻게 물이 표면에 부딪힐지에 따라 매우 높은 수준의 물 저항과 결합된 미세 융기 부분이나 기둥들의 패턴을 이용한 표면들을 찾는 것이다.
연구원들의 연구는 이상적인 수퍼반수성 표면을 만들는데 도움을 줄 것이라고 크로켓 박사가 말했다. 또한 그녀는 이런 서로 다른 표면들의 특성을 확인함으로써, 표면 형태들은 개별 응용에 대해 가장 유리하다는 것을 더 확실히 찾아낼 것이라고 기대하고 있다.
연구원들의 연구는 수퍼반수성 표면에 대한 성장 응용 리스트는 다음과 같이 매우 다양하기 때문에 중요하다. 그 응용들은 물이 태양패널들에서 굴러 떨어질 때, 오염되지 않고 자기 세척될 수 있는 태양패널, 경수 오염 흔적들이 남겨지지 않는 샤워, 욕조나 변기, 환자들로 유체들을 배달하는 튜브나 주사기 내부와 같은 바이오의료 소자, 배의 선체, 어뢰와 잠수함의 외부, 냉습 조건에서 윙팁 아이싱 (wingtip icing)에 저항할 비행기 날개 등이다.
그러나, 크로켓 교수와 마이네스 교수의 연구가 실제로 목표하는 곳은 더 청결하고 더 효율적인 에너지 발생이다. 국가에 걸쳐 있는 거의 모든 발전소가 팽창하는 증기를 발생시키기 위해 석탄이나 천연 가스에 의해 에너지를 만들고 터빈을 돌린다. 일단 발생됐던 증기는 순환되기 위해 액체 상태 내로 응집될 필요가 있다.
만약 발전소 응집기들이 최적 수퍼반수성 표면들로 만들어질 수 있다면, 이 과정은 전력을 발전하기 위해 시간을 절약하고 가격을 낮추도록 중요한 방법들에서 속도를 높일 수 있다. 또한 만약 이 표면들을 가지면, 유체가 응집기 벽으로 끌려가지 않고 증기가 액체로 응집하기 시작되자마자 바로 굴러 떨어뜨리고 많은 가스를 매우 빠르고 효율적으로 응집시킬 수 있다고 크로켓 교수가 말했다.
연구원들이 실험실에서 시험하고 있는 수퍼반수성 표면들은 두 가지 종류 중 하나이다. 이는 인간의 머리카락 크기의 1/10인 크기를 가진 마이크로 기둥을 가진 표면이나 리브와 공동을 가진 표면이다.
이 마이크로 구조 표면을 만들기 위해, 이 교수들은 CD 크기 웨이퍼 상으로 패턴들을 식각하는 사진 필름 인화와 비슷한 과정을 이용한다. 이후 연구원들은 테프론과 같은 표면으로 얇은 방수 필름을 첨가하고 물이 표면들 상으로 떨어지고 분사되고 끓여질 때 상호작용하는 방법을 문서화하기 위해 초고속 카메라를 이용했다.
연구원들은 리브와 공동의 두께에서 약간의 변경을 찾고 있거나 리브 벽의 각이 물 반응을 확실히 변화시키고 있다. 모든 실험은 왜 수퍼반수성 표면이 하는 내용을 더 확실하게 제공하고 있다.
This phenomenon occurs because Crockett and her colleague Dan Maynes have created a sloped channel that is super-hydrophobic, or a surface that is extremely difficult to wet. In layman's terms, it's the most extreme form of water proof.
Engineers like Crockett and Maynes have spent decades studying super-hydrophobic surfaces because of the plethora of real-life applications. And while some of this research has resulted in commercial products that keep shoes dry or prevent oil from building up on bolts, the duo of BYU professors are uncovering characteristics aimed at large-scale solutions for society.
Their recent study on the subject, published in academic journal
Physics of Fluids, finds surfaces with a pattern of microscopic ridges or posts, combined with a
hydrophobic coating, produces an even higher level of water resistance—depending on how the water hits the surface.
"Our research is geared toward helping to create the ideal super-hydrophobic
surface," Crockett said. "By characterizing the specific properties of these different surfaces, we can better pinpoint which types of surfaces are most advantageous for each application."
But where Crockett and Maynes' research is really headed is toward cleaner and more efficient energy generation. Nearly every power plant across the country creates energy by burning coal or natural gas to create steam that expands and rotates a turbine. Once that has happened, the steam needs to be condensed back into a liquid state to be cycled back through.
If power plant condensers can be built with optimal super-hydrophobic surfaces, that process can be sped up in significant ways, saving time and lowering costs to generate power.
"If you have these surfaces, the fluid isn't attracted to the condenser wall, and as soon as the steam starts condensing to a liquid, it just rolls right off," Crockett said. "And so you can very, very quickly and efficiently condense a lot of gas."
The super-hydrophobic surfaces the researchers are testing in the lab fall into one of two categories: surfaces with micro posts or surfaces with ribs and cavities one tenth the size of a human hair. (See images of each to the right.)
To create these micro-structured surfaces, the professors use a process similar to photo film development that etches patterns onto CD-sized wafers. The researchers then add a thin water-resistant film to the surfaces, such as Teflon, and use ultra-high-speed cameras to document the way water interacts when dropped, jetted or boiled on them.
They're finding slight alterations in the width of the ribs and cavities, or the angles of the rib walls are significantly changing the water responses. All of this examination is providing a clearer picture of why super-hydrophobic surfaces do what they do.
"People know about these surfaces, but why they cause droplets or jets to behave the way they do is not particularly well known," Crockett said. "If you don't know why the phenomena are occurring, it may or may not actually be beneficial to you."
Provided by Brigham Young University
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