나노채널 내에서의 표면거칠기와 경계 습윤의 효과

Abstract

나노 스케일 시스템에서는 부피 대 면전 비가 매우 크기 때문에 나노 유 동은 메크로 스케일에서의 유동과는 다른 특성이 나타난다. 확산 계수 (Diffusion coefficient), 점성(viscosity) 등의 전달 물성치(transport properties)가 다 르게 나타나고 연속체 이론을 벗어나는 여러 현상들이 나타난다. 거시적인 스케일에서는 no-slip boundary condition(BC)이 잘 적용되지만 나노 스케일에서 는 채널 폭이 유체 분자 사이즈와 비길 수 있기 때문에 slip 현상이 나타난다. 최근에 나노 제조공정(nano fabrication) 및 나노 장비(nano device)의 발달로 나 노 스케일에서의 유동현상에 대한 관심이 높아지고 있다. 해석하고자 하는 계를 수많은 입자들의 집합체로 모델링하여 이들의 움직 임과 상호작용을 연구하는 다 체계 문제(N-body problem)는 기본적으로 모든 개개의 입자가 그 자신을 제외한 다른 모든 입자와 가지는 상호 작용을 연산 해야 하기 때문에, 입자의 수가 증가함에 따라 연산 횟수는 그 제곱에 비례 한다는 어려움이 있다. 최근 컴퓨터 발달과 함께 분자 하나 하나의 상호작용 포텐셜로부터 얻어지는 분자간의 힘으로 분자 각각의 속도와 위치를 계산하 는 분자동역학(Molecular Dynamics : MD) 시뮬레이션을 통한 나노 유체 (nanofluidics)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 나노 유체 유동에서 표면의 습윤 상태(surface wettability) 및 표면 거칠기 (surface roughness)가 slip 현상에 강력한 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 Non Equilibrium Molecular Dynamics(NEMD) 시뮬레이션을 이용해서 Poiseuille 유동에 대해 벽면의 습윤 상태에 따른 표면 거칠기가 나노 채널 내에서의 유 동에 미치는 영향을 연구하였다. 유체와 고체 사이의 접촉각(contact angle)에 따라 친수성 표면(hydrophilic surface), 소수성 표면(hydrophobic surface)로 구별하여 살펴보았을 때 친수성 표면일 때는 유체와 고체 사이의 강한 상호작용으로 인해 표면 거칠기에 상 관없이 no-slip BC이 성립하지만 소수성 표면일 때는 유체와 고체 사이의 약 한 상호작용으로 인해 유체와 고체 경계 면에 air gap, nano bubble이 존재하게 되어 slip BC이 나타난다. 하지만 표면 거칠기의 효과가 커질수록 slip 현상이 감소하게 된다. 이는 표면 거칠기의 돌기들(surface roughness elements) 사이로 유체 원자들이 정체하게 되어 벽면의 고체 원자 같이 다른 유체 원자와의 인 장력이 커지고, 또한 표면 거칠기에 의한 유체와 고체 경계면에서의 항력 저 항의 증가로 인해 slip이 감소하게 된다. 따라서 나노 스케일에서의 유동은 표면의 습윤 조건과 표면 거칠기에 강한 영향을 받고 BC을 결정하는데 중요 한 역할을 하는 것을 알 수 있다.; The nanofluidics are characterized by a large surface-to-volume ratio, so that the surface properties strongly affect the flow resistance. We present here the results showing that the effect of wetting properties and the surface roughness may considerably reduce the friction of fluid past the boundaries. For a simple fluid flowing over hydrophilic and hydrophobic surfaces, the influences of surface roughness are investigated by the nonequilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations. The fluid slip at near a solid surface highly depends on the wall-fluid interaction. For hydrophobic surfaces, apparent fluid slips are observed on smooth and rough surfaces. The effect of surface wettability is important in determining interfacial hydrodynamic resistance. A hydrophobic surface has lower interfacial resistance than a hydrophilic interface. And, Solid-fluid interface boundary condition of the nanoscale flow depends on surface roughness. The geometry of the surface roughness is modeled by sinusoidal waves. The sinusoidal roughness model explains the effects of surface roughness in channels very well. In order to the role of the parameters for sinusoidal surface roughness, we variously performed a simulation with amplitude and period. Since a shorter period and a larger amplitude corresponds to an increase in surface roughness, this result increases to wall friction. The difference to slip velocity for wetting conditions at interface decreases with increasing effects of surface roughness. This is demonstrated to arise from effects of the surface roughness nanostructures and wall-fluid interface wettability. The surface roughness geometry shows significant effects on the boundary conditions at the interface.