In this work, the effect of wettability on the dynamics of solids at a gas-liquid interface was studied experimentally and theoretically. Based on the observation of solids at a gas-liquid interface, the conventional model of floating and sinking objects was empirically analyzed, and the new mathematical model for the floating and sinking was derived to correct the conventional model under both static and dynamic conditions. To observe the effect of surface tension and change in wettability on the floating object, superhydrophobic surface was coated on the floating materials using partial combustion of hydrophobic materials. Using the introduced fabrication process, the flotation of hydrophobic solids with different physical properties was observed to test the validity of conventional models. From the experiment, the conventional model needed to be corrected to reflect the change in wettability, contact line pinning, and the existence of multiple equilibrium contact line. New mathematical model reflecting the actual physical phenomena was derived based on the experimental data. The new model showed that both buoyancy and surface tension acting on the floating object depend on the location of contact line of object, and “additional buoyancy” term exists conceptually only. Lastly, the dynamics of floating sphere entering the fluid at the gas-liquid interface was studied. By observing the free-falling spheres at the gas-liquid interface, the movement of contact line was decoupled from the movement of floating and sinking sphere. In this work, the conventional models for the floating and sinking of a sphere were tested that had been assumed to be correct for centuries, and a step was taken further to study the dynamics of floating objects. This newly proposed model would improve the understanding of forces acting on the floating objects and help to analyze natural phenomena involving the floatation of objects denser than the fluid.
본 논문에서는 젖음성이 기-액 계면에서 고체의 거동에 미치는 영향을 실험과 이론을 통해 연구하였다. 기-액 계면에서의 고체에 대한 관찰을 통하여 기존 모델의 불합리한 점들을 분석하였고 이를 수정한 수학적 모델을 유도하여 동적 정적 조건에서의 고체의 거동을 연구하였다. 표면장력과 젖음성이 고체에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 부분적 연소를 이용한 초소수성 표면을 제작하였고, 제시된 방법으로 만들어진 다양한 물성을 가진 고체들이 기-액 계면에서 보이는 거동을 관찰하여 기존 모델의 적합성을 시험하였다. 실험결과를 통해 기존 모델은 고체의 젖음성 변화, 접촉선 고정, 다수의 평형 접촉선 등을 반영하지 못하였고, 이러한 물리적 현상을 반영한 새로운 모델을 유도하여 제시하였다. 새로운 모델을 통하여 기-액 계면에 떠 있는 고체의 표면 장력과 부력은 접촉선의 위치에 따라 변한다는 것을 확인하였고 “추가적 부력” 이라는 기존 모델의 개념이 실존하지 않는 것을 확인하였다. 마지막으로 기-액 계면을 통과하는 구체의 거동을 관찰하여 구체의 거동과 접촉선의 거동이 서로 분리된 개념인 것을 확인하였다. 본 연구는 부유하는 고체에 대한 기존 모델이 가진 중요한 문제점들을 지적하였고 새로운 모델을 유도하여 물리적 현상에 대한 이해를 증진시키고자 하였다.
