이 총설에서는 야누스 입자가 유체 계면에 흡착할 때, 이들 입자가 가지는 평형 배향에 대한 이론적 접근 방법을 소개하고자 한다. 구형, 타원면, 그리고 아령 모양의 야누스 입자를 모델로 하여, 입자의 모양, 젖음성, 크기가 평형 배향에 강하게 영향을 준다는 사실을 설명하겠다. 특히 야누스 타원면의 경우, 특정 조건에서 두 개의 에너지 최소점이 존재하고, 따라서 이들 입자들이 두 개의 배향(수직 배향과 기울어진 배향)을 동시에 가질 수 있음을 의미한다. 또한 입자들이 각각의 배향을 가질 확률은 두 에너지 최소점 사이의 에너지 장벽에 해당하는 방위각에 의해서 결정된다. 반대로 야누스 아령은 오로지 한 개의 배향만을 취하지만, 입자의 기하학적 그리고 화학적 비등방성과 비대칭성이 증가할수록 중간 배향을 갖게 된다. 중간 배향 상태에서 입자들은 일정 범위 내의 방위각에서 자유롭게 회전할 수 있다. 야누스 입자의 배향에 대한 연구는, 이들 입자들이 유체의 계면에 비가역으로 흡착할 때, 개별 입자들의 배향이 입자간 상호 작용, 회합 현상, 그리고 더 나아가 유변학적 성질에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다는 점에서 그 중요성을 찾을 수 있다.
이 총설에서는 야누스 입자가 유체 계면에 흡착할 때, 이들 입자가 가지는 평형 배향에 대한 이론적 접근 방법을 소개하고자 한다. 구형, 타원면, 그리고 아령 모양의 야누스 입자를 모델로 하여, 입자의 모양, 젖음성, 크기가 평형 배향에 강하게 영향을 준다는 사실을 설명하겠다. 특히 야누스 타원면의 경우, 특정 조건에서 두 개의 에너지 최소점이 존재하고, 따라서 이들 입자들이 두 개의 배향(수직 배향과 기울어진 배향)을 동시에 가질 수 있음을 의미한다. 또한 입자들이 각각의 배향을 가질 확률은 두 에너지 최소점 사이의 에너지 장벽에 해당하는 방위각에 의해서 결정된다. 반대로 야누스 아령은 오로지 한 개의 배향만을 취하지만, 입자의 기하학적 그리고 화학적 비등방성과 비대칭성이 증가할수록 중간 배향을 갖게 된다. 중간 배향 상태에서 입자들은 일정 범위 내의 방위각에서 자유롭게 회전할 수 있다. 야누스 입자의 배향에 대한 연구는, 이들 입자들이 유체의 계면에 비가역으로 흡착할 때, 개별 입자들의 배향이 입자간 상호 작용, 회합 현상, 그리고 더 나아가 유변학적 성질에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다는 점에서 그 중요성을 찾을 수 있다.
In this review, I present the configuration behaviors of various Janus particles at fluid-fluid interfaces. As a model system, Janus spheres, Janus ellipsoids, and Janus dumbbells are selected to investigate the effect of shape, size, and wettability on their configurations. In particular cases, Jan...
In this review, I present the configuration behaviors of various Janus particles at fluid-fluid interfaces. As a model system, Janus spheres, Janus ellipsoids, and Janus dumbbells are selected to investigate the effect of shape, size, and wettability on their configurations. In particular cases, Janus ellipsoids can adopt two distinct configurations (i.e., upright and tilted configurations) due to the presence of two energy minima in the attachment energy profile. On the contrary, a single energy minimum is found in the case of Janus dumbbells such that they adopt either the upright or tilted configuration. Interestingly, the geometric and chemical asymmetry and anisotropy in the characteristic properties of Janus dumbbells lead to an intermediate state in which the particles can rotate freely in a certain range of orientation angles.
In this review, I present the configuration behaviors of various Janus particles at fluid-fluid interfaces. As a model system, Janus spheres, Janus ellipsoids, and Janus dumbbells are selected to investigate the effect of shape, size, and wettability on their configurations. In particular cases, Janus ellipsoids can adopt two distinct configurations (i.e., upright and tilted configurations) due to the presence of two energy minima in the attachment energy profile. On the contrary, a single energy minimum is found in the case of Janus dumbbells such that they adopt either the upright or tilted configuration. Interestingly, the geometric and chemical asymmetry and anisotropy in the characteristic properties of Janus dumbbells lead to an intermediate state in which the particles can rotate freely in a certain range of orientation angles.
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문제 정의
야누스 입자의 계면에서의 배향을 조사하기 위해, 개별 입자의 흡착 에너지를 수치적으로 계산하는 방법을 소개한다. 또한, 이 결과를 이용하여 입자의 모양, 젖음성(wettability), 크기 등의 입자 특성이 계면에서 이들의 배향에 미치는 영향을 논의하고자 한다.
본 총설에서는, 야누스 입자가 계면에 흡착되었을 때의 평형 배향에 대해 소개하였다. 평형 배향은 입자의유체로의 흡착 에너지를 최소화 함으로써 얻을 수 있다.
다시 한 번 강조하면, 야누스 입자 배향에 대한 연구의 중요성은, 개별 입자의 배향이 입자간 상호 인력(interparticle interaction)에 직접적으로 영향을 주고, 상호 인력은 다중 입자간 회합(assembly)에, 그리고 회합한 입자들의 마이크로 구조(microstructure)는 유체 계면의 유변학적 특성에 연속적으로 영향을 미치기 때문에, 최종 물질의 물성을 이해하기 위해서는 우선적으로 개별 입자 배향에 대한 연구가 필수적이다[6-9]. 야누스 입자의 계면에서의 배향을 조사하기 위해, 개별 입자의 흡착 에너지를 수치적으로 계산하는 방법을 소개한다. 또한, 이 결과를 이용하여 입자의 모양, 젖음성(wettability), 크기 등의 입자 특성이 계면에서 이들의 배향에 미치는 영향을 논의하고자 한다.
우선, 친수성과 소수성 부분이 기하학적으로 그리고 화학적으로 서로 대칭인 야누스 타원면, 즉 α=90o이고 상보적 젖음성(supplementary wettability)을 지닌 입자의 경우에 대해 조사한다.
이렇게 두 개의 배향이 함께 공존하는 경우는, 야누스 타원면뿐만 아니라 야누스 실린더와 야누스 스페로실린더(spherocylinder) 등의 입자에서도 유사하게 발견된다[10,14,15]. 이들 각각의 배향이 갖는 확률 또한 예측 가능하고, 이는 추후에 논의하고자 한다.
성능/효과
최근, 마이크로 몰딩(micromolding) 방법으로 야누스 실린더를 제조한 후, 이들 입자의 배향에 대한 실험적, 이론적 연구 결과가 보고되었다[14,15,17]. 이 결과에 의하면, 종횡비가 상대적으로 큰 입자의 경우 두 개의 배향, 즉 수직 배향과 기울어진 배향이 동시에 관찰되었고, 흡착 에너지 계산을 통해 얻은 결과와 잘 일치 했다. 이들 야누스 실린더가 유체 계면에 분산되었을 때의 배향 확률 또한 식 (13), (14)를 통해 예측한 결과와 일치했다.
후속연구
다음으로 흡착 에너지를 최소화함으로써 입자의 평형 배향을 얻은 결과를 기술하겠지만, 그 전에 이 방법이 사용될 수 있는 전제 조건을 열거하겠다. 우선 유체와 입자가 만나는 접촉선(meniscus)은 항상 매끄러워야한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콜로이드 입자(colloidal particles)의 역할은?
콜로이드 입자(colloidal particles)는 두 개의 섞이지 않은 유체의 계면에 자발적으로 흡착하여 그 계면을 안정화시킴으로 해서, 상 분리(phase separation), 유착(coalescence), 응집(flocculation) 등을 막는 역할을 할 수 있다[1]. 분자 계면 활성제의 대체재 역할을 할 수 있는 콜로이드 입자는, 특히 경제적, 친환경적인 관점에서 장점을 찾을 수 있다.
피커링 에멀전(Pickering emulsion)이란?
분자 계면 활성제의 대체재 역할을 할 수 있는 콜로이드 입자는, 특히 경제적, 친환경적인 관점에서 장점을 찾을 수 있다. 특히, 화학적으로 균일한 입자들이 연속상에 존재하는 분산 상의 표면에 비가역적으로 흡착되어 안정화된 에멀전(emulsion)을 피커링 에멀전(Pickering emulsion)이라 한다[2,3]. 이때 에멀전의 안정성은 속도론적(kinetically)으로 결정된다.
야누스입자의 개별 입자들의 거동에 대한 연구의 필요성은?
따라서 야누스 입자의 콜로이드 계면활성제로서의 효율적인 응용을 위해서, 미세적인 관점에서 이들 개별 입자들의 거동에 대한 연구가 필수적으로 선행되어야 한다. 다시 한 번 강조하면, 야누스 입자 배향에 대한 연구의 중요성은, 개별 입자의 배향이 입자간 상호 인력(interparticle interaction)에 직접적으로 영향을 주고, 상호 인력은 다중 입자간 회합(assembly)에, 그리고 회합한 입자들의 마이크로 구조(microstructure)는 유체 계면의 유변학적 특성에 연속적으로 영향을 미치기 때문에, 최종 물질의 물성을 이해하기 위해서는 우선적으로 개별 입자 배향에 대한 연구가 필수적이다[6-9]. 야누스 입자의 계면에서의 배향을 조사하기 위해, 개별 입자의 흡착 에너지를 수치적으로 계산하는 방법을 소개한다.
참고문헌 (17)
Binks, B. P. and Horozov, T. S., "Colloidal Particles at Liquid Interfaces," Cambridge University Press, New York(2006).
Pickering, S. U., "Emulsions," J. chem. Soc. Trans., 91, 2001-2021 (1907).
Park, B. J., "The Effect of Electrolyte Concentration for Colloid Adsorption toward a Fluid-Fluid Interface," Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 51, 527-530(2013).
Binks, B. P. and Fletcher, P. D. I., "Particles Adsorbed at the Oil-Water Interface: A Theoretical Comparison between Spheres of Uniform Wettability and "Janus" Particles," Langmuir, 17, 4708-4710(2001).
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