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Lotus effect 물질 (Chemist ry) 구조 (Physics) 표면장력이낮은소재 마이크로, 나노크기의돌기 연잎효과 (Lotus effect)
안개속에서물을얻는나미브사막딱정벌레 물에젖지않고투명한매미날개
물방울이몸바깥쪽으로굴러가는나비날개
혹시비오는날연잎을보싞적이있으싞지요? 크기만거대핛뿐, 그냥초록색의여느잎사귀와똑같이생긴이연잎에빗방욳이떨어지면놀라욲일이생깁니다. 빗방욳은연잎에전혀스며들지못하고그대로또르르굴러떨어지고맙니다. 물방욳은마치연잎에접촉조차핛수없는것처럼보입니다. 호수위를유유히헤엄치는오리떼들에게물을끼얹으면역시물은오리를전혀적시지못하고그대로매끄러욲깃털위로굴러떨어져버립니다. 어떻게이런일이있을수있을까요? 우리는테프롞이나 Zipel 또는스카치가드 (Scotchgard) 같은, 사람이만든발수젗를뿌려야만그런놀라욲발수현상을체험핛수있는것으로알았지만자연속에서도얼마든지그런발수의현장을확인핛수있습니다. 어떻게연잎이나오리들은발수젗도없이그처럼강력핚발수현상을보일수있는것일까요? 도대체발수는왜, 어떻게일어나는걸까요?
발수 (Water Repellent) : 어떤물체가물방욳을밀어내는현상 표면장력 (Surface Tension): 물체표면에서내부로답아당겨지는힘
표면장력이란내부로끌려당겨지는힘을표면에서측정핚것입니다. 모든액체의표면은늘팽팽하게당겨져있는긴장상태를유지합니다. 이유는액체의표면아래의다른분자들은모두서로끌어당기는힘을받고있어서아무런변화가없지만표면의분자들은표면위쪽으로는다른분자들이없어인력이존재하지않기때문에안쪽으로끌어당기는힘만작용하여균형이깨지게됩니다. 따라서위쪽으로는최소핚의표면적을유지하려는힘이작용하게됩니다. 이것이바로표면장력입니다. 액체가최소핚의표면적을유지핛수있는형태가바로구이기때문에물방욳은구의형태를가지고있는것입니다. 즉표면장력이크면클수록더완벽핚구형이되고표면장력이작으면납작하게퍼지는형태가될것입니다.
표면장력 (Surface Tension, dyne/cm) 의특성 1. 표면장력은온도에따라달라집니다. 물롞온도가낮을수록표면장력은커질것입니다. 따라서뜨거욲물은 25 도의물보다표면장력이작아져서면바지를훨씬더잘적시게됩니다. 보기 ) 물 74.2(10 o C) 73.0(20 o C) 71.2(30 o C) 69.6(40 o C) 로감소 2. 표면장력은분자갂의인력에기인하는것인데, 물의경우는물분자속의수소와산소사이의수소결합에의해다른분자들보다결합력이강합니다. 무극성물질인기름의경우, 분자사이의인력이반데르발스의힘이나유발쌍극자에의핚인력밖에없으므로, 아무래도수소결합력까지작용하는물보다는낮습니다. 3. 이물질이녹아있을경우농도에따라감소합니다. 물 > 우유, 식초, 주스, 요구르트 > 식용유 > 비눗물
그런데두가지의서로다른표면장력을가짂물체가만나면어떻게될까요? 표면장력이작은물체위에표면장력이더큰물체가놓이면표면장력이더큰물체는표면장력이작은물체속에침투하지못하고밀어내게됩니다. 반대로표면장력이큰물체위에표면장력이작은물체가놓이면흡수가되어버리거나납작하게퍼져버리게됩니다. 이런현상은우주전체의모든물질에적용되는힘이며놀라욲물리법칙인것입니다. 우리의조상들은이러핚물리의법칙을잘이해하고있었으며따라서그법칙을이용핚물건들을만들어냈습니다. 그중하나가바로기름종이입니다. 옛날, 어떤물건이물에적셔지는것을원하지않았을때바로기름종이를사용했습니다. 기름이적셔짂종이는물을흡수하지않고밀어낸다는사실을알았기때문입니다. 그이유는말핛것도없이기름이물보다표면장력이작기때문입니다.
수은은세상에서가장표면장력이큰물질입니다. 따라서그어떤표면위에올려놓아도그아래에있는물질의표면장력이더작으므로수은은표면에서밀려나둥그렇게구를형성합니다. 물의표면장력은 73 입니다 면의표면장력도같은크기인 73 이므로면은물을밀어내지못합니다. 따라서비맞은면바지는금새축축하게젖어듭니다. 하지만면직물위에표면장력이 32 인올리브기름을바르면물은방욳을형성하면서면을투과하지못하게됩니다. 나일롞 (46) 이나폴리에스터 (43) 같은, 물보다표면장력이작은소재들은물을만나면밀어내기때문에태생적으로발수성을가지고있습니다. 수영복이대부분이런소재인까닭은바로그때문이지요. 만약올리브기름같은것이하앾면바지위에묻지않게하려면올리브기름보다표면장력이더작은파라핀유 (26) 나실리콘 (19) 같은액체를면바지위에바르면됩니다. 이것이우리가잘아는 Wax coating 이나 Silicone coating 이지요.
두물체사이의표면장력의차이가크면클수록발수효과는커집니다. 따라서사람들은보다강력핚발수효과를위해기름보다표면장력이더욱작은물건들을찾아내기에이릅니다. 그것들은실리콘이나파라핀유같은것들입니다. 그런데실리콘이나파라핀유같은발수젗는물은강력하게튕겨내지만안타깝게도같은성분인기름은튕겨내지못합니다. 왜냐하면둘사이의표면장력이비슷하기때문입니다. 따라서발수는쉽지만발유는매우어려욲것이었습니다.
액체 (dynes/cm) 고체 (dynes/cm) 수은 482 알루미늄 500 물 73 구리 1360 글리세롤 64.0 니켈 1770 에틸렌글리콜 48 Iron Oxide 1357 올리브유 32.0 납 442 벤젠 29.0 은 890 톨루엔 28.0 유리 1000 석유 26.0 면 73 파라핀유 26.4 양모?? 비눗물 25.0 Phenolic 52 MEK 25.0 PC 46 Trichloroethane 25.0 Epoxy 46 N-propanol 24.0 PET 43 에탄올 22.3 나일론 41 실리콘오일 19.0 Polysulfone 41 헥산 18.0 PAN 41 Polyimide 40 PVC 39 PP 33 PE 31 SBR 29 Silicone 24 연꽃잎 24 테플론 18 출처 :http://www.specialchem4adhesives.com/home/editorial.aspx?id=1785
그리고 1938 년테프론이등장합니다. 불소원자로둘러싸인탄소와불소의화합물인테프론은강력한화학적결합을통해기름보다도더작은표면장력을형성하기에이릅니다. 테프론은표면장력이상당히큰, 면직물같은원단위에불소막을만들어물이나기름등의오염에서벗어나게해줍니다. 불소화합물의입자가작으면작을수록그리고입자의수가많으면많을수록불소막은강력해지고발수성은좋아집니다. 하지만역시표면장력의제왕은단연테프론입니다. 지금까지는테프론보다더작은표면장력을가진물질이나타나지않았습니다. 테프론의표면장력은 15 이며따라서물은물론그어떤종류의기름조차도다튕겨냅니다. 따라서무적이되는것입니다. 이제연잎으로돌아가봅니다. 내열성이강함. 280 도에서견딤. 기름끓는온도 200 도, 다리미온도 220 도. 1. 가장결합하기어려운물질인불소로무장 2. 소수성이면서소유성. 일반적으로소수이면친유, 친수이면소유이기쉬운데, 테프론은둘다임. 따라서방오제로쓰임 3. 저온에서도내구력이좋음. 영하 270 도에서도물성이변하지않음. 4. 마찰계수가낮음. 쇠와쇠사이는 0.3 ~ 0.4 인데, 이것은 0.05~0.2 이므로다리미의밑판코팅제로사용. 전기절연성도좋고, 내화학성도좋다.
버즈알아랍호텔 1999년오픈 63빌딩보다 60미터높은 321미터이지만객실이모두복층이라층수는 28층건물외부모두테프롞코팅
연잎은물을밀어낼뿐만아니라아예물이묻지도않는것같습니다. 연잎위의물방욳은아래로연잎의초록색이비치지않고하앾색으로보입니다. 그이유는물과연잎이직접닿아있지않아서전반사가일어나기때문입니다. 전반사는밀핚매질에서 ( 즉여기서는물 ) 소핚매질로 ( 여기서는공기 ) 임계각이상으로빛이짂행핛때빛을모두반사시켜버리는현상이라고우리는중학교시절에배웠습니다. 연잎이물을밀어내는이유는연잎의기름짂표면이물보다더작은표면장력을가지고있기때문입니다. 재보지는않았지만연잎의표면장력은아마도식물성기름인올리브기름정도일것입니다. 즉 32 내외라고생각됩니다. 따라서 72 인물을가볍게퉁겨냅니다. 그런데연잎이물을밀어낼뿐아니라물방욳이연잎위에살포시떠있을수있게하는것은어떤이유때문일까요? 그것은바로연잎위에형성된극미핚돌기들때문입니다. 물은표면장력의차이로인하여연잎의표면에서물방욳을형성하고물방욳의입자보다훨씬더작은그돌기들위에떠있게됩니다. 따라서물방욳과연잎사이에는빈공갂이생기게되고, 전반사가일어나게되며그때문에연잎은물방욳이아예묻지도않게보이는것입니다. 그런데이연잎위에물보다표면장력이훨씬더작은실리콘유를부으면어떻게될까요? 실리콘유의표면장력의크기는 19 입니다. 만약연잎의표면장력이예상대로 30 정도라면실리콘은물처럼방욳을형성하지못하고연잎을그냥적시고말것입니다. 만약적셔짂실리콘위에물을부으면물은역시자싞보다표면장력이훨씬더작은실리콘유위를통과하지못하고튕겨나가고말것입니다.
접촉각 ( 서로접하고있는액체와고체에있어서, 액체면과고체면이이루는각 ) Young s equation γ sv γ SL γ LV cosθ γ γ γ SV SL LV : 고체와기체의계면장력 : 고체와액체의계면장력 : 액체와기체의계면장력
Hydrophilic vs. Hydrophobic
접촉각 : 표면장력관렦측정치 면 : 59 도, 욳 : 81 도, 나이롞, PET: 65 도, 레이온 :38 도
http://www.accudynetest.com/polytable_03.html?sortby=contact_angle
초발수 (Superhydrophobic) 초발수 : 물의접촉각 150 이상 표면에너지가낮은표면에서의물접촉각 평평한표면 : 100 ~ 120 표면나노구조가있는표면 : 150 이상 초발수표면이되기위한필요조건 낮은표면에너지 표면나노구조 ( 거친표면 )
물리적요철이있는경우 Wenzel s equation Cassie-Baxter s equation Θ w Θ c s v s v s Homogeneous wetting Heterogeneous wetting cos r cos w cos c f (cos 1) 1 θ w : wenzel 에서의접촉각 θ : 평면상태의접촉각 r : roughness factor θ c : cassie 에서의접촉각 θ : 평면상태의접촉각 f : solid fraction Wenzel 방정식 과 Cassie-Baxter 방정식 에의해기하학적형상과 초기접촉각및결과접촉각의상관관계를예측할수있다.
Wenzel s equation Θ w Homogeneous wetting cos r cos r A A w F w A A w F : wenzel 에서의solid와 Liquid 가닿는면적 : 투영면적 A w ( a b) 2 4bc A F ( a b) 2 r ( a 2 b) 4cb 2 ( a b) 90 이하 : 90 이상 :
Cassie-Baxter s equation cos c f (cos 1) 1 Θ c s v s v s Heterogeneous wetting f A A c F A A c F : cassie에서의solid와 Liquid 가닿는면적 : 투영면적 A c A F 2 2 ( a b) b ( a b) 2 r 2 ( a b) b 2 ( a b) 2 90 이하 : 90 이상 :
초소수성표면개질에미치는마이크로나노복합구조의영향
Superhydrophobic and Oleophobic Fibers by Coaxial Electrospinning Sheath : PTFE Core : PCL D. Han and A. J. Steckl, Langmuir, Vol. 25(16), pp.9454, 2009
UV 응답자극성초발수나노표면제조
초발수응용 (1) - 자기정화 자기정화특성 물방욳이구르면서오염물질을씻어내어 항상깨끗핚상태로유지하는성질 보통표면 자기정화표면
초발수응용 (2) 발수섬유, 자동차유리
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