물의 힘에 나노입자 변형…단국대 연구팀 최대 75% 변형 원리 규명

(용인=뉴스1) 김평석 기자 = 단국대학교는 김세영 교수 연구팀이 물의 표면장력에 의해 수면 위 나노입자가 최대 75%까지 변형되는 현상을 세계 최초로 실험적으로 규명했다고 21일 밝혔다.

김세영 교수팀은 나노입자의 강성과 표면장력이 구조 변화에 미치는 영향을 실시간으로 측정해 나노 세계에서 작용하는 탄성모세관 현상을 입증했다.

계면활성 나노입자는 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 물질의 경계면에서 표면장력을 낮추고 계면을 안정화한다. 계면활성 나노입자는 물과 공기가 맞닿는 경계면에 달라붙어 있어 기존 계면활성제보다 안정적인 계면층을 형성할 수 있다.

화장품·의약품·친환경 코팅 공정에서 유화 성능을 높이고 핵심 성분을 보호할 수 있어 기존 계면활성제를 대체할 차세대 소재로 주목받고 있다. 입자가 경계면에서 얼마나 변형되는지는 안정화 성능을 좌우하지만, 크기가 매우 작아 그 과정을 직접 관찰하고 측정하기 어려웠다.

연구팀은 강성을 조절할 수 있는 구형 고분자 나노입자를 활용해 수면 위 입자의 구조 변화를 실시간·비파괴적으로 측정하는 중성자반사율(neutron reflectivity) 실험을 진행했다.

표면장력을 조절할 수 있는 랭뮤어 수조(Langmuir trough)를 활용해 변형률을 측정한 결과, 표면장력과 나노입자의 강성 정도에 따라 변형률이 최대 75%에 이르는 현상을 확인했다.

표면장력과 입자의 강성, 변형률의 상관관계를 분석한 결과, 물의 표면장력과 나노입자의 탄성이 상호작용하는 '탄성모세관(elastocapillary) 이론'과 실험 결과가 일치하는 것을 확인했다. 이를 통해 탄성체가 표면장력에 의해 변형되는 '탄성모세관(elastocapillary) 현상'을 실험적으로 입증했다.

기존의 강체 또는 액체 기반 이론만으로는 설명하기 어려웠던 나노입자의 구조 변화가 입자의 탄성과 표면장력의 상호작용에서 비롯된다는 사실을 실험을 통해 규명한 것이다.

김세영 교수는 "이번 연구는 탄성모세관 현상이 나노 세계에 예상보다 큰 영향을 미친다는 사실을 보여준 첫 사례"라며 "화공소재와 생체계면 조절 약물 설계의 기반이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 성과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 나노과학 분야 국제 저명학술지 'Nano Letters'(IF 9.1)에 게재됐다. 논문명은'Elastocapillary Deformation of “Glassy” Polymer Micelles at an Air–Water Interface'이다. 김상윤 석사와 진신저 석사(이상 고분자공학과)가 공동 제1저자로 참여했다.

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연구는 미국 퍼듀대학교(Purdue University), 일본 J-PARC 연구소와의 국제공동연구로 수행됐다. 한국연구재단 '개인기초연구지원(생애첫연구)' 및 '해외대형연구시설활용연구지원사업'의 지원을 받았다.

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