물방울에 의해 탄성을 지닌 물질표면이 당겨 올라가 생기는 젖음주름 규명으로 나노구조물 제작, 프린팅기기, 표면처리 등 다양한 응용기대

국내 연구진이 고체표면에 놓인 물방울에 생기는 미세한 젖음주름*의 원리를 규명해 냈다. 이는 세포조작이나 프린팅 기기, 물질의 표면처리 등 각종 나노기술분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

* 젖음주름 : 고체바닥 위에 액체가 놓일 때 액체-기체 계면장력의 수직방향 힘에 의해 액체, 기체, 고체 경계면 영역의 고체가 뾰족하게 융기한 것. 주로 무른 고체 위에서 나타난다. 나뭇잎 위 이슬, 손등에 떨어뜨린 에센스 방울, 눈에 떨어뜨린 점안액 등에서 나타난다.
 
포항공대 신소재공학과 제정호 교수 및 박수지 박사과정 연구원이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 온라인판 7월 10일자에 게재되었다. 

물방울은 고체인 바닥과 기체인 공기와 접하는 곳에서 서로간의 힘이 균형을 이루면서 형체를 유지한다.

이 때 물방울이 바닥과 공기와 동시에 만나는 부분에서 미세한 젖음주름이 만들어지는 것이 알려져 있으나 직접 관찰하지 못해 정확한 형태나 형성원리를 명료하게 알지 못했다.

이에 연구팀은 투과엑스선현미경*을 이용하여 실리콘 젤 표면 위에 놓인 물방울에 형성된 젖음주름의 영상을 얻고 그 형태와 형성원리를 밝혀냈다. 

젖음주름을 이용한 나노구조물 제작이나 효율적인 표면처리제 개발 등 다양한 산업적 응용을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.

특히 세포의 증식, 분화, 성장에 영향을 미칠 수 있는 세포의 젖음현상에 대한 이해를 돕고 향후 세포를 젖음주름에 가두는 등 세포공학적 응용에도 기여할 것으로 보인다.

액체가 고체나 다른 액체의 표면과 만날 때 나타나는 현상들은 명쾌하게 설명되었으나, 고무나 고분자 젤, 생체조직 같은 탄성물질과 만날 때 나타나는 젖는 현상은 그동안 설명이 어려웠다.

현미경으로 관찰한 결과 물방울 표면에 생긴 젖음주름의 꼭지점이 갈고리처럼 휘어진 비대칭삼각형 형태임을 알아냈다.
 
또 물질이 무를수록 젖음주름은 높게 생성되며 수직방향 힘에도 비례했다. 한편 젖음주름의 형태는 꼭지점에 작용하는 세가지 계면장력에 의해 결정된다는 것도 밝혀졌다.
 
공초점 현미경을 이용해 젖음주름을 관찰하려는 시도는 있었으나 염색물질 등을 이용해야 해 정확도에 다소 한계가 있었다.

제 교수는 “이번 연구로 밝혀진 젖음주름의 형성원리는 젖음현상에서의 힘의 평형을 설명함과 동시에, 무른 고체표면 위에서 나타나는 특이젖음 현상을 이해하는 밑거름이 될 것” 이라고 밝혔다.