입자 강성과 표면장력 따라 나노입자 최대 75% 변형 확인

[헤럴드경제(용인)=박정규 기자]단국대(총장 안순철) 김세영 교수(고분자시스템공학부 고분자공학전공) 연구팀이 물의 표면장력에 의해 수면 위 나노입자가 변형되는 현상을 세계 최초로 실험적으로 규명했다.

연구팀은 나노입자의 강성과 표면장력에 따른 구조 변화를 실시간으로 측정해 두 요소가 나노입자를 최대 75%까지 변형시킨다는 사실을 밝혀냈다. 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.

물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 경계면의 표면장력을 낮추는 ‘계면활성 나노입자’는 기존 계면활성제를 대체할 차세대 소재로 꼽힌다. 화장품·의약품·친환경 코팅공정 등에서 경계면을 안정화하는 유화 효과가 뛰어나 핵심 성분을 보호할 수 있기 때문이다.

특히 나노입자의 모양은 경계면의 안정화와 유화 성능에 영향을 미치는 중요한 요소다. 나노입자가 경계면에서 납작하거나 변형되는 정도에 따라 유화 성능이 결정된다. 따라서 나노입자가 어떤 조건에서 얼마나 변형되는지를 정확히 아는 것이 계면활성 나노입자를 설계하는 데 중요한 과제다.

그러나 나노입자는 크기가 매우 작아 수면 위에서 일어나는 변형을 직접 관찰하고 정량적으로 측정하기 어려웠다. 그동안 학계에서는 나노 크기에서는 물의 표면장력이 입자를 변형시킬 만큼 강하게 작용할 것으로 예상해 왔지만, 실제 변형 과정을 실시간으로 측정해 이를 입증한 사례는 없었다.

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.

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 기존에 예상했던 것보다 탄성모세관 현상이 나노 세계에 큰 영향을 미친다는 사실을 실험적으로 보여준 첫 사례”라며 “향후 고계면적 화공소재와 생체계면 조절 약물 등 차세대 계면활성 나노입자를 설계하는 기반 기술로 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

김상윤 석사와 진신저 석사(이상 고분자공학과)가 공동 제1저자로 참여했다.