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Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19389(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

정적 접촉각 측정은 모든 종류의 재료의 습윤 거동을 분석하는 가장 널리 사용되는 방법 중 하나입니다. 이 방법은 정교한 기계 없이도 쉽게 적용할 수 있지만 동일한 재료에 대해 얻은 결과는 크게 다를 수 있습니다. 환경 조건, 샘플 준비 및 측정 전도에 대한 측정 감도는 일관되지 않은 결과의 주요 요인입니다. 공개된 데이터와 함께 상세한 측정 프로토콜이 존재하지 않는 경우가 많기 때문에 접촉각 값과 정교한 습윤 연구는 비교를 허용하지 않습니다. 따라서 본 논문에서는 정적 접촉각 측정에 대한 가능한 영향을 논의하고 이러한 효과의 정도를 실험적으로 입증하는 것을 목표로 합니다. 샘플 보관 조건, 세척 절차, 액적 부피, 물 등급 및 액적 적용뿐만 아니라 증발이 정적 접촉각에 미치는 영향을 자세히 조사합니다. 특히 샘플 보관 시 접촉각 차이가 최대 60%까지 발생했습니다. 습윤 상태에 따라 증발은 건조한 대기에서 10분 이내에 접촉각을 30~50%까지 줄일 수 있습니다. 따라서 본 논문에서는 기후 챔버에 대한 기존 접근 방식을 검토하고 이러한 결과를 바탕으로 새로운 측정 설정을 소개합니다. 습도가 높은 환경에 노출되어 측정하기 전에 표면에 부정적인 영향을 주지 않고 증발을 성공적으로 억제함으로써 몇 분 동안 습윤 거동을 관찰할 수 있습니다.

현재 "접촉각 측정"에 대한 문헌 연구는 400만 개 이상의 출판물을 제공합니다. 아래에서 정적 접촉각(SCA) 측정은 고체 금속1,2 또는 스퍼터링된 박막3, 고분자 표면4,5, 그래핀6,7 또는 생물학적 샘플8에서 표면의 습윤성을 분석하는 가장 널리 사용되는 방법입니다. SCA는 친수성(< 90°)부터 90° 이상의 SCA를 갖는 소수성까지 다양합니다. 또한 강한 액적 확산을 통한 초친수성 또는 약 150° SCA의 초소수성과 같은 극단적인 습윤 사례도 SCA 측정을 통해 관찰할 수 있습니다9. 최근 레이저 처리된 표면의 습윤성이 특히 집중되는 지형적으로 수정된 구조를 분석하는 데에도 사용되기 때문에 구현은 매끄러운 표면에만 국한되지 않습니다. 여기서 이 방법은 또한 방향성 패턴 표면에 특히 중요한 이방성 습윤 거동을 분석할 수 있습니다. 이상적으로 매끄러운 표면의 경우 SCA는 Young의 방정식으로 설명할 수 있으며 액체, 고체 및 증기로 구성된 3상 습윤 시스템에서 에너지 최소화에 의해 도달한 열역학적 접촉각으로 간주됩니다9,15. 실제 표면은 Wenzel 습윤 상태16에서 완전히 습윤되거나 액적과 지형적 특징(Cassie-Baxter 상태17) 사이에 공기가 포함된 부분 습윤으로 인해 화학적으로 이질적인 표면이 생성되는 거칠기를 특징으로 합니다.

이미 1980년대에 연구자들은 샘플 오염, 세척제 및 세척 절차로 인해 구리와 같은 금속 표면에서 접촉각이 강하게 분산된다는 사실을 알고 있었습니다18. 보다 최근의 연구에서는 특히 탄화수소 오염이 고체 물질의 습윤 거동에 중요한 역할을 한다는 것을 입증할 수 있습니다. 탄화수소의 흡착은 편평한 구리 샘플의 SCA를 45°에서 100°2로 증가시킬 수 있기 때문입니다. 세척제는 공기 중 오염층의 구성에 영향을 미칠 수 있으며 이로 인해 SCA 결과가 변경될 수 있습니다19. 2015년 Long et al.20은 흡착층도 시료 보관 조건에 크게 의존한다는 것을 보여주었습니다. 분명히 여러 연구에서 동일한 재료에 대한 문헌에서 접촉각이 광범위하게 분산되는 이유를 보여 주었으며 액적 부피, 온도 또는 습도가 잘 알려져 있기 때문에 샘플 표면과 무관한 다양한 요인이 잘 알려져 있습니다. 그러나 가능한 모든 샘플 또는 측정으로 인한 영향을 포함하고 샘플 오염과 결과적인 접촉각 사이의 의존성에 초점을 맞춘 고정된 측정 프로토콜은 존재하지 않습니다. 이는 모든 습윤 분석의 핵심 요소인 것으로 보입니다. 후퇴 및 전진 접촉각의 동적 측정을 위해 Huhtamäki et al.22와 Drelich23은 잠재적인 측정 영향에 대한 표시를 포함하여 액적 부피를 점진적으로 증가시키고 이후 감소시켜 측정 단계의 프로토콜을 제공합니다. 그들은 고착 낙하 방법을 사용하는 SCA 측정이 낙하가 전역 최소값이 아닌 임의의 로컬에 있을 수 있기 때문에 준안정 결과만 나타낼 수 있다고 주장합니다. 그러나 여러 연구에 따르면 동적 접촉각 측정은 종종 액적 교란 효과(예: 고착성 액적 설정에서 바늘에서 액적으로 전달되는 기준선 피닝 또는 진동)에 의해 액적이 전체 열역학적 최소값에 도달하지 못하는 것으로 나타났습니다. 종종 실험실의 자연 진동으로 인해 접촉각이 이론값에 도달하지 못하는 경우가 있습니다. 더욱이, 이상적인 표면에 대한 Young의 방정식과 거칠기를 묘사하는 실제 표면에 대한 Wenzel- 및 Cassie-Baxter 모델을 기반으로 SCA 측정에 대해 잘 정의된 모델이 있는 반면, 결과적인 접촉각 히스테리시스에 대한 이론적 이해가 부족합니다. 17.