Gas‐Driven Ultrafast Reversible Switching of Super‐hydrophobic Adhesion on Palladium‐Coated Silicon Nanowires

연구 배경

초소수성 표면은 대개 물방울이 굴러떨어지는 발수형이거나 물방울을 붙잡는 부착형 중 하나이며, 한 기판에서 두 상태를 전환하려면 표면 거칠기나 표면에너지를 정밀하게 제어해야 합니다. 기존에는 코팅한 액정 고분자의 열적 상전이로 부착성을 바꾸었으나 가열 시 물방울이 증발할 수 있고 냉각이 느렸으며, 이후 광감응 고분자 코팅에 자외선을 쬐는 방식은 1분 이내에 전환했습니다.

설계와 접근

수직 Si NW 배열은 30 mM AgNO3와 4.9 M HF 혼합 수용액에서 70 °C, 30분 동안 무전해 식각(AEE)하여 만들었습니다. 이어 3 × 10⁻⁷ Torr에서 DC 마그네트론 스퍼터링으로 Pd를 증착했는데, 단차 피복성이 낮아 Pd는 주로 나노와이어 끝에 쌓였고 끝부분은 서로 뭉쳐 1.3~3.7 μm 간격의 다발을 이루었습니다. 이후 헥세인에 녹인 3 mM DTS에 30분 담그고 150 °C에서 1시간 구워 초소수성을 부여했습니다. H2 분위기에서는 Pd가 PdHx로 바뀌며 팽창해 물방울과 닿는 다발 끝이 커지고 접촉선 고정력이 증가하며, 공기 중에서는 수소가 빠져나가 Pd가 원래 부피로 수축합니다.

평가 방법

Pd 두께(tPd) 40 nm 배열을 5° 기울인 상태에서 약 8 μL 물방울을 공기와 2% H2 분위기에 떨어뜨려 움직임을 관찰했으며, H2는 대기압 부근에서 공기와 섞어 챔버에 공급했습니다. 정적 접촉각(CA)은 다섯 곳 이상에서 측정해 평균했고, 공기와 8% H2에서 in situ 원자힘현미경(AFM)으로 다발 형상을 관찰했으며, 미끄럼각(θSA)으로부터 tPd와 H2 농도에 따른 고정력(Fpin)을 추정했습니다. 응용으로 패턴형 전환, 물방울 이송과 혼합을 시연했습니다.

연구 내용과 주요 결과

공기 중에서는 물방울이 떨어진 지 0.03초 만에 12.58 cm/s 속도로 굴러떨어졌지만 2% H2에서는 표면에 고정되었고, 다시 공기에 노출하면 3초 안에 발수 상태로 돌아왔습니다. 정적 접촉각은 공기 중 159 ± 1.33°, 2% H2에서 155 ± 2.17°로 두 상태 모두 초소수성을 유지했으며, 공기와 H2를 번갈아 바꾸는 50회 반복에서도 부착성 전환이 재현되었습니다.

in situ AFM에서 8% H2 노출 시 다발이 커지며 제곱평균제곱근(rms) 거칠기가 400.1 nm에서 442.1 nm로 증가했고, 공기에 다시 노출하자 404.3 nm로 돌아왔습니다. tPd를 0 nm에서 100 nm로 늘리면 물방울과 닿는 고체 분율은 0.11에서 0.21로 증가했습니다.

tPd가 10 nm 미만이면 전환이 관찰되지 않았고 두 분위기 모두에서 θSA ≈0°에서 물방울이 굴러떨어졌습니다. H2에서 Fpin은 tPd 20~50 nm일 때 8.15배를 넘게, 50 nm 초과일 때 4.2배 미만으로 증가했습니다. 약 2% H2 미만에서는 전환이 일어나지 않았고, 이 문턱값 이상에서는 H2 농도에 따라 Fpin이 커졌으며, 8% H2를 넘으면 미끄럼각이 90°를 넘어 8 μL 물방울이 수직 또는 뒤집힌 기판에서도 떨어지지 않았습니다.

섀도 마스크로 패턴을 만든 기판에서는 2% H2(tPd 40 nm)에서 염색한 물방울이 'YONSEI'와 'ADV MAT' 글자 영역에만 고정되었고, 희석한 쥐 혈액, 커피, CdSe 나노입자 현탁액도 선택적으로 고정되었습니다. 8% H2에서 배열을 물방울 집게로 사용해 발수 표면의 물방울을 들어 올렸고, 8 μL 적색 물방울과 청색 물방울을 물 손실 없이 혼합했습니다.

다른 연구와의 연결

물을 위로 흐르게 하는 방법을 다룬 관련 Science 논문은 고정된 표면자유에너지 기울기로 물방울을 이동시키는 반면, 이 연구는 Pd 층의 가역적 부피 변화를 이용해 주변 기체로 한 표면을 발수 상태와 부착 상태 사이에서 전환했습니다.