Project description

초소수성 표면(Superhydrophobic surface, SHS)은 방수성(hydrophobicity)이 극대화된 표면입니다. 예로 연꽃잎은 자연에서 쉽게 발견할 수 있는 대표적인 초소수성을 지닌 표면이며, 비가 올때에 빗방울들이 연잎을 적시지 않고 동그랗게 뭉쳐서 주르륵 미끄러지는 것을 볼 수 있습니다. 연꽃잎은 소수성을 지 니게 하는 코팅제를 가짐과 동시에, 표면을 현미경으로 자세히 확대해서 보면 확인할 수 있는 마이크로미터 크기의 수많은 작은 돌기들을 가지고 있습니다. 연꽃잎과 같은 초소수성 표면을 공학적으로 만들기 위해서 표면 에너지를 낮추는 화학적 코팅이 필요하고, 마이크로-나노 사이즈의 구조를 갖게 하는 표면 가공이 더해져야 합니다. 초소수성 표면은 몸에 해로운 약품이 인체에 스며들지 않게 하는 옷이나 장갑, 페인트가 눌러 붙지 않는 용기 등 다양한 곳에 적용이되고 있습니다. 초소수성 표면이 가진 중요한 성질은 액체 안에 담길때 표면의 마이크로 스케일 돌기에 얇은 공기층을 품을 수 있다는 점입니다. 초소수성 표면이 물에 잠겨있는 상태로 속도를 가지고 움직이게 되면, 물보다 점성 이 약 1/50 정도로 낮은 공기층이 슬립(Slip) 현상을 만들어내며 표면 마찰력을 감소시킵니다. 이 슬립 현상은 선박이나 잠수함 등 해상 운송수단의 표면항력을 감소시켜 연료를 절감할 수 있는 유체공학 방법으로 연구되고 있습니다. 마이크로 채널에서의 초기 연구 결과(Daniello et al. 2009 Physics of Fluids) 최대 40% 가량의 초소수성의 항력 감소가 관측되어 많은 주목을 받았습니다. 그런데 초소수성 표면 처리를 한 평판을 해상 운송수단의 속도에 해당하는 유속에 노출시킨 실험 결과 (Aljallis et al. 2013 Physics of Fluids) 공기층이 난류 유동의 압력변동(Pressure fluctuation) 및 전단응력 (Shear stress)에 의해 유실되어 기대한것과 반대로 항력이 증가하는 것이 관측되었습니다. 

이 연구에서는 직접수치해석(Direct Numerical Simulation, DNS) 방법을 통해 마이크로 스케일의 초소수성 표면의 돌기, 공기층, 그리고 난류가 상호작용하는 자세한 물리현상을 관측하여, 난류에서 초소수성 표면의 공기층이 유실되는 두 가지 메커니즘들을 규명하였습니다. 첫번째 메커니즘은, 초소수성의 공기층 위에서 슬립된 유동이 마이크로 스케일의 돌기들과 충돌하며 발생하는 정체 압력(Stagnation pressure)에 따라 액체-기체간 경계면의 변형이 일어나고 공기층의 파열로 이어지는 메커니즘입니다 (Seo et al. 2015 Journal of Fluid Mechanics). 두번째 메커니즘은 초소수성의 공기층이 위를 흐르는 난류와 상호작용할 때 모세관압력파동(Capillary pressure wave)이 발생함에 따라 액체-기체간 경계면에 변형이 일어나며 공기층의 파열되는 메커니즘입니다(Seo et al. 2018 Journal of Fluid Mechanics). 이 두 가지의 물리적 현상에 대한 이해와 스케일링 법칙에 기반하여, 안정적인 항력감소를 이룰 수 있는 초소수성의 디자인 가이드라인(Design map)을 제시하였습니다. 또한 초소수성과 난류 유동이 상호작용하여 생기는 속도장의 변화를 모델링하고 초소수성 표면 위에서 일어나는 유체현상에 대한 스케일링을 기반으로 유동 조건과 디자인 변수로부터 항력 감소를 예측하는 모델을 제시하였습니다(Seo and Mani 2016 Physics of Fluids). 실제적으로 해상 운송수단에 초소수성을 사용하는 경우에 넓은 면적에 초소수성 표면처리를 해야 하므로, 실험실에서와 같은 균일한 표면구조를 만들기 어렵습 니다. 넓은 표면에 처리가 가능한 스프레이 코팅이나 식각(Etching)을 사용하게 되는 경우 초소수성의 돌기들이 무작위로 흩어져 있게되는데, 이 경우 슬립 및 압력 특성의 변화를 정량적으로 평가한 연구를 추가로 수행하였습니다(Seo and Mani 2018 Physical Review Fluids). 이 결과들을 기반으로 안정적인 항력감소를 이룰 수 있는 초소수성의 디자인에 대한 가이드라인을 정체압력, 모세관 압력, 전단 응력, 난류 자체의 압력 섭동 등 다양한 초소수성 공기층 파열의 메커니즘을 정리하여 분석하였습니다. 계산수학적으로는 공기층 변형을 난류 시뮬레이션에 효율적으로 모델링하는 알고리즘을 개발하고 검증, 적용하였으며, 하나의 시뮬레이션에 최대 5억개의 그리드를 사용한 큰 규모의 슈퍼컴퓨팅을 수행한 연구입니다.

WHAT ARE SUPERHYDROPHOBIC SURFACES (SHS)?  

Superhydrophobic surfaces (SHS) are super-water-repellant surfaces which can make a water droplet rolling on surfaces. A degree of water repellency is measured by a contact angle, the angle between droplet and substrate. Superhydrophobic surfaces have contact angle up to 150 degree, forming almost a spherical droplet. A key factor for sustaining superhyrophobicity is air bubbles captured in micro-scale roughness. The captured air bubbles can create slip of overlying fluid, which leads less skin friction.  

HOW MIGHT WE TAKE ADVANTAGE OF SHS? 

Superhydrophobic surfaces can prevent wetting from toxic materials, paint, and etc. It has been applied to ketchup bottles and containers to prevent a stick-behavior of liquid. Superhydrophobic surfaces can be also applied to moving vehicles submerged in water (e.g. submarine) to reduce skin friction. The successful drag reduction by SHS in turbulent flows has been reported up to ~20% in experiments (Bidkar et al. 2014, Physics of Fluids, Srinivasan et al. 2015, PRL, etc). Considering the massive amount of fuel consumed in the ship industry, 20% drag reduction means a great deal of energy savings.  

WHAT IS THE KEY BOTTLENECK FOR SHS TO BE APPLIED FOR DRAG REDUCTION?  

In most fluid flow phenomena in our daily life (e.g. automotive aerodynamics, swirling flow in a coffee cup, etc) as well as the naval hydrodynamics of ship, the flow regime is turbulent flows. Turbulence induces high pressure fluctuations on the wall, and experimental investigations showed that these pressure fluctuations depleted the bubble out of SHS. SHS without air bubbles lose the water-repellency and the slip property and the drag reduction fails.   

HOW DOES A SIMULATION OF TURBULENT FLOWS OVER SHS PLAY A KEY ROLE?  

There are a large number of ongoing experiments and developments of fabrication methods for robust and durable superhydrophobic surfaces. However, it is very challenging to understand the physics at the interface between SHS and turbulence. The nature of the phenomena is multi-scale: from meters (the scale of ship surface) to micrometers (micro scale structures in SHS). In such multi-scale problem, one needs to measure physical features including very small ones (~micrometers) which requires very sophisticated measurement systems, sometimes unavailable in current technology or simply too expensive. Direct Numerical Simulations(DNS), which can probe detailed flow information on the interface between turbulent flows and SHS, are thus necessary to investigate mechanisms on the interface between SHS and turbulent flows.  

Publications: 

Pressure fluctuations and interfacial robustness in turbulent flows over superhydrophobic surfaces
J. Seo, R. Garcia-Mayoral, A. Mani
JOURNAL OF FLUID MECHANICS, 2015, Vol. 783, pp.448-473.

On the scaling of the slip velocity in turbulent flows over superhydrophobic surfaces
J. Seo and A. Mani
PHYSICS OF FLUIDS, 2016, Vol. 28, 025110.

Turbulent flows over superhydrophobic surfaces: flow-induced capillary waves, and robustness of air-water interfaces
J. Seo, R. Garcia-Mayoral, A. Mani
JOURNAL OF FLUID MECHANICS, 2018, Vol. 835, pp. 45-84.

Effect of texture randomization on the slip and interfacial robustness in turbulent flows over superhydrophobic surfaces
J. Seo and A. Mani
PHYSICAL REVIEW FLUIDS, 2018, Vol. 3, 044601.

Collaborators: Ricardo Garcia-Mayoral (Cambridge), Ali Mani (Stanford)

Funding Sources: Office of Naval Research (ONR) Mutildisciplinary University Research Initiative (MURI) program, Kwanjeong Scholarship.

MURI participants: University of Michigan, MIT, Johns Hopkins, Princeton, University of Minnesota.