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울산과기원, 미세 기름관 내 물방울 형성 동기화 현상 최초 발견

송고시간2020-10-19 12:01

물리학과 정준우 교수팀, 유체 계면 간 진동 상호작용 규명

물과 기름의 유속 조건에 따른 물방울 생성의 변화를 나타낸 그림
물과 기름의 유속 조건에 따른 물방울 생성의 변화를 나타낸 그림

[울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

(울산=연합뉴스) 김용태 기자 = 울산과학기술원(UNIST)은 물리학과 정준우 교수 연구팀이 미세한 기름관(미세유체관)에서 작은 물방울들을 만들 때 저절로 박자를 맞추는 현상을 최초로 발견했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 이 동기화 현상 원인을 설명할 이론적 모델도 제시했다.

연구팀에 따르면 기름이 흐르는 미세유체관에 물을 양옆으로 넣어주면 기름과 섞이지 않는 물줄기가 스스로 끊어져 물방울이 된다.

원래 이 물방울은 양쪽에서 엇박자로 만들어지는 것이 당연하지만, 연구팀은 특정 조건에서 처음에는 제각각 만들어지던 물방울들이 시간이 지나면서 저절로 박자를 맞추며 동기화되는 장면을 포착했다.

연구팀은 이를 '경계면 간(계면)의 상호 작용이라는 물리학적 원리'로 설명했다.

물과 기름 간 경계면에서 미세하게 발생하는 진동을 시계추처럼 하나의 진동자로 본 것이다.

물방울 여러 개가 생기면 진동자가 물방울 수만큼 생기고, 여러 진동자 간의 상호 작용으로 물방울 생성 주기가 맞춰진다.

마찬가지로 물속에서 떠다니는 세포의 섬모를 하나의 진동자로 보면 섬모들이 박자를 맞춰 움직이는 행태를 설명할 수 있다.

물방울의 동기화를 나타낸 컴퓨터 시뮬레이션
물방울의 동기화를 나타낸 컴퓨터 시뮬레이션

[울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

연구팀은 두 물방울 생성이 박자를 맞추는 정도를 계면의 거리, 액체의 흐름 속도, 점도 등을 조절해 바꿨다.

이는 암이나 병원균을 진단하는 랩온어칩(Lap-on-a-chip·바이오칩의 일종으로 하나의 칩 위에 실험실을 올려놓았다는 뜻)에서 액체 시료의 흐름을 조절하는 데 쓰일 수 있는 기술이다.

제1 저자이자 공동교신저자인 울산과기원 물리학과 엄유진 연구교수는 "랩온어칩을 이용한 물방울 생성에 대한 기존 연구들이 간과했던 '동시 생성' 동기화를 최초로 관찰한 것"이라며 "이 모델 시스템을 이용해 미세유체 내에서 일어나는 동기화 현상에 대한 이해를 높일 수 있다"고 설명했다.

정 교수는 "동기화 현상을 직관적인 원리와 함께 설명할 수 있는 교과서적인 모델 시스템"이라며 "복잡한 구조 제작 없이 유체를 제어할 수 있는 미래형 랩온어칩 기술로 유용할 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 바이오메디컬공학과 강주헌 교수도 참여했다.

연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications) 15일 자 온라인판에 게재됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부·한국연구재단의 연구 과제와 울산과기원 기초과학연구소의 지원으로 이뤄졌다.

연구팀 모습
연구팀 모습

오른쪽 첫 번째부터 정준우 교수, 강주헌 교수, 엄유진 연구교수. [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

yongtae@yna.co.kr

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