노스웨스턴 대학의 기술자들은 물 속에서도 표면을 건조하게 유지시키는데 필요한, 이상적인 표면 “거칠기”를 확인하였다. 연구팀은 건조하게 유지되는 다양한 종류의 표면을 분석하였고 이를 가능하게 하는 이유를 확인하였다. 표면의 조직은 물 속에 오랜 시간 담겨있을 때에도 건조하게 유지되기 위해서는 이상적인 “거칠기”를 가져야만 한다. 연구팀은 표면 거칠기의 굴곡이 나노 규모여야 하며 마이크론 미만의 넓이를 가져야 한다는 것을 관찰하였다.

그러나 이러한 나노 크기의 굴곡은 눈으로 볼 수 있는 크기 즉, 마크로크기의 규모에 중요한 영향을 줄 수 있다. 표면이 효율적으로 물을 밀어낼 수 있는 방법을 보다 잘 이해하는 것은 이러한 특성이 해운업에서의 파이프 코팅, 오염 방지 표면을 포함하여 다양한 산업에 크게 활용될 수 있게 해준다.

“요점은 증기가 형성될 수 있도록 적절한 화학적인 특성과 크기를 가진 거친 표면을 사용하는 것이며 우리는 우리의 이익을 위해 이를 사용할 수 있다”고 연구를 주도적으로 이끌고 있는 이론 기계공학자인 Neelesh A. Patankar는 말한다. “이 굴곡이 1마이크론 넓이보다 작을 때 물 혹은 증기 포켓은 물 속에서의 증발 혹은 비등에 의해 끓지 않고 물방울이 증발하는 것과 같이 표면의 굴곡 부위에 축적된다. 이들 가스 포켓들은 물을 밀어내게 되어 표면을 건조하게 유지시켜 준다”고 그는 말한다.

연구진은 물 속에서 표면이 건조하게 유지되는 것을 돕는데 관여하는 나노 크기의 기계학을 증명하고 설명하였다. 연구원들은 다양한 종류의 재료들을 가지고 실험을 수행하였는데 이들 중의 일부는 필요한 표면 거칠기를 가지고 있으나 다른 시료들은 가지고 있지 않았다. 실험은 4달 동안 진행되었는데 이 기간 동안에 나노 크기의 거칠기를 가지는 표면은 계속 건조한 상태가 유지되었다. 연구팀은 다른 시료들을 보다 거친 환경에 두었는데 이러한 환경에서도 표면은 건조한 상태로 유지되었다. 이들 거친 환경에서 대기 중의 액체는 용해된 가스가 전혀 없게 유지되었다.

“이는 놀라운 일이며 우리가 원하던 바이다. 내 실험실은 일상적인 경험에 도전을 하는 걸 좋아한다. 이번의 연구에서 연구원들은 우리가 아는 물의 상 변화를 조절하는 특성을 관찰하였다.”라고 맥코믹 기계응용학과 기계공학부의 교수인 Patankar는 말한다. 소금쟁이 및 물장군과 같은 어떤 수중 곤충들은 같은 표면 거칠기 전략을 사용한다. 이들 곤충들은 몸 표면에 작은 섬모들을 가지고 있다. 이들 섬모들 사이의 간격은 1마이크론 보다 적은데 이에 의해 섬모 사이에 가스를 보유할 수 있다. “이들 가스를 보유하는 곤충들은 우리의 예측과 일치하는 표면 특성들을 가지며 장기간 동안 자신을 건조한 상태로 유지할 수 있다”고 Patankar 연구그룹의 박사과정 학생이며 연구논문의 첫 번째 저자인 Paul R. Jones는 말한다.

표면의 나노 규모 구조는 이 연구의 핵심이다. 나노 규모의 구조는 스파이크 운동화의 융기들 사이에 굴곡이 진 형태의 기공을 만드는 카펫의 직조물과 유사하다. 표면이 물 속에 잠기면 물은 작은 스파이크와 같은 융기 꼭대기에 달라붙으려 하며 공기와 물방울은 이 사이의 계곡과 같은 형상의 기공 내에 축적된다.

기공 속에 잡힌 물방울과 공기는 함께 가스층을 형성하여 습기가 표면 내로 스며드는 것을 방지해준다. “우리가 현미경으로 거친 표면을 관찰할 때 우리는 빈 공간을 분명히 볼 수가 있다. 이 공간은 보호막 물 증기가 있는 곳”이라고 Patankar는 말한다. 현대까지 연구원들은 기공 내에 물 증기가 응축되는 것을 방지할 수 있는 방법을 알지 못했으며 따라서 표면이 젖는 현상이 야기되었다.

그러나 이러한 공정을 막을 수 있는 분자적인 규모에서의 주요 핵심이 연구진에 의해 개발되었고 계곡이 1마이크론 보다 작은 넓이를 가지면 가스 상태로 증기와 공기를 잡아 유지시켜 공기 포켓을 만들고 강도를 증가시며 물에 젖는 것을 방지할 수 있게 해준다는 것을 연구진은 밝혔다. 연구결과는 “물 속에서 건조한 표면의 유지”라는 제목으로 `Scientific Reports`에 발표되었고, ETH Zürich, 스위스, MIT, 일리노이 시카고 대학, 덴마크 대학 및 애리조나 주립대학의 연구원들이 참여하였다. 이 연구는 노스웨스턴 지속가능 및 에너지 이니셔티브에 의해 지원을 받았다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 25일]

 

Engineers at Northwestern University have identified the ideal surface ‘roughness’ required for keeping surfaces dry underwater. The team analyzed various types of surfaces that remain dry, and determined the reason that this is possible. The texture of a surface must have an ideal “roughness” for it to stay dry when it is submerged in water for a long period of time. The team observed that the valleys in the surface roughness had to be on the nanoscale, and have a width of less than a micron. However, these nanoscale valleys can have a significant impact on the macroscopic scale.

A better understanding of the manner in which the surfaces are able to effectively deflect water could enable the deflecting property to be utilized on a large scale in a wide range of industries, including pipe coatings and antifouling surfaces for shipping.

“The trick is to use rough surfaces of the right chemistry and size to promote vapor formation, which we can use to our advantage,” said Neelesh A. Patankar, a theoretical mechanical engineer who led the research.

“When the valleys are less than one micron wide, pockets of water vapor or gas accumulate in them by underwater evaporation or effervescence, just like a drop of water evaporates without having to boil it. These gas pockets deflect water, keeping the surface dry,” he said.

The research team has demonstrated and explained the nanoscale mechanics that are involved in helping a surface stay dry underwater. They conducted studies using various types of materials, some which had the required surface roughness, and some which did not. The experiment was conducted for a period of four months, during which the samples that had the nanoscale roughness stayed dry. The team placed other samples in harsh environments, where they also remained dry. In these harsh environments, the ambient liquid was devoid of dissolved gas.

“It was amazing and what we were hoping for,” said Patankar, a professor of mechanical engineering in the McCormick School of Engineering and Applied Science. “My lab likes to defy normal experience. In this work, we looked for properties that manipulate the water phase changes we know.”

Some aquatic insects, including water striders and water bugs, use the same surface roughness strategy. These insects have small hairs on the body surfaces. The spacing between these hairs is less than a micron, which enable retention of gas between the hairs. “These gas-retaining insects have surface properties consistent with our predictions, allowing them to stay dry for a long time,” said Paul R. Jones, the study’s first author. He is a Ph.D. student in Patankar’s research group.

The nanoscopic structure of surfaces was the focus of the study. This structure at the nanoscale is similar to a carpet’s texture that is made up of valley-shaped pores that are between spike-like elevations. When the surfaces are submerged in water, water tries to stick to the top of the tiny spike-like elevations, and air and water vapor accumulate in the valley-shaped pores in between.

The trapped water vapor and the air in the cavities combine to form a gaseous layer that prevents moisture from seeping into the surface. “When we looked at the rough surfaces under the microscope, we could see clearly the vacant gaps — where the protective water vapor is,” Patankar said.

Until now, researchers had not been able to prevent water vapor from condensing within the pore, which causes the surface to get wet. However, the molecular key to preventing this process has been discovered by the team. They showed that when the valleys had a width of less than a micron, they had the ability to contain trapped vapor and air in their gaseous states. This increases the strength of the seal, and prevents wetness. The study paper, entitled “Sustaining Dry Surfaces Under Water,” has been published in the journal 'Scientific Reports'.

Researchers from ETH Zürich, Switzerland, Massachusetts Institute of Technology, University of Illinois at Chicago, University of Denmark, and the Arizona State University also took part in this study. The research was supported by the Initiative for Sustainability and Energy at Northwestern (ISEN).

[원문출처 : http://www.azom.com/news.aspx?newsID=44351]