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Aug 29, 2023

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 24653(2016) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

항력 저감(Drag Reduction)은 최근 에너지 절약과 환경 보호 측면에서 심각한 문제가 되고 있습니다. 항력 감소를 위한 다양한 접근법 중에서 초소수성 표면은 항력 감소 효율이 높기 때문에 주로 연구되어 왔습니다. 그러나 수중 초소수성 표면의 플라스트론(즉, 공기 주머니)의 제한된 수명으로 인해 젖지 않은 표면의 불안정성은 실제 적용에 있어 걸림돌이 되어 왔습니다. 이 연구는 SiC/Si 연동 구조를 사용하여 나노규모 표면 구조를 최적화함으로써 초소수성 표면의 수중 안정성을 향상시키는 획기적인 방법을 제시합니다. 이러한 구조는 18일 이상의 플라스트론 수명과 56%의 최대 속도 감소율을 통해 비교할 수 없는 수중 초소수성 안정성을 가지며 항력 감소 기능을 향상시킵니다. 또한 계층적 SiC/Si 나노구조 표면의 광전기화학적 물 분해를 통해 빠져나가는 가스층을 다시 채워 에어 포켓의 제한된 수명 문제를 극복하고 지속적인 항력 감소 효과도 제공합니다.

습기가 제거된 표면은 오염 방지 표면1,2,3,4,5,6,7, 방수 장치8,9,10, 마이크로 채널11,12, 방오 표면과 같은 광범위한 잠재적 응용으로 인해 많은 주목을 받았습니다. 착빙13,14,15,16,17, 오일/물 분리18,19,20, 항력 감소21,22,23 및 기타 비습윤 관련 분야24,25,26,27,28,29,30,31,32. 탈수된 표면의 적용 분야 중 항력 감소는 지난 수십 년 동안 전 세계적으로 우려되는 에너지 보존 및 환경 보호에 대한 가장 중요한 문제 중 하나입니다. 특히 해양 선박 및 유체 채널 분야에서 항력 감소는 에너지 및 자원 소비를 엄청나게 줄일 수 있습니다33,34. 컴플라이언스 코팅35,36, 폴리머 코팅37,38,39, 계면활성제40,41,42, 미세 기포43,44 및 초소수성 코팅23,45을 포함하여 항력 감소 효과를 유도하기 위해 다양한 표면 구조 및 형태가 연구되었습니다. 항력 감소를 위한 다양한 전략 중에서 연꽃 잎을 모방한 탈습윤 표면인 초소수성 표면이 항력 감소에서 지배적인 효율성을 보여주었습니다. 그러나 불안정한 수중 초소수성은 실제 응용 분야에서의 사용을 방해했습니다.

초소수성 표면에서는 침수된 표면에 공기(또는 가스) 중간층이 존재하면 비습윤 거동이 발생하는 것으로 알려져 있으며, 따라서 수중 초소수성의 안정성은 공기 중간층의 수명에 따라 결정됩니다. 그러나 공기 중간층(플라스트론)은 공기 가스가 물로 확산되기 때문에 수명이 제한되어 매우 불안정합니다50. 이전 연구에 따르면 가스 확산 속도는 주로 표면 특성(표면 형태 및 표면 에너지)과 정수압에 의해 결정됩니다. 메조다공성 구조, 나노와이어 배열, 마이크로/나노 계층 구조 등 다양한 표면 구조가 공기 중간층의 수명을 향상시키는 것으로 보고되었습니다53,54. 그러나 이러한 다양한 연구에도 불구하고 공기층의 비영구성을 극복하지 못했다.

본 연구에서 우리는 탄소열 환원 기반 합성 방법을 사용하여 새로운 SiC/Si 연동 계층 구조를 개발했습니다. 이전에 보고된 구조와 비교하여 우리 표면은 공기 중간층의 수명을 획기적으로 향상시켰으며 독특한 네트워킹 구조로 인해 수중 초소수성의 가장 높은 안정성을 보여주었습니다. 항력 감소 측정에 따르면 초소수성 SiC/Si 계층형 표면은 평평한 Si 표면에 비해 56% 항력 감소 효과를 나타냈습니다. 반대로, 초친수성 SiC/Si 표면은 항력 강화 특성을 나타냈습니다.