물안이나 공기중에 노출된 친수성 표면 근처의 물분자들은 물분자간 결합보다 강하게 표면에 흡착되어 있다. 이로 인해 표면의 물분자는 벌크 상태의 액체 물과는 전혀 다른 특성을 가지며 이러한 물층을 수화층이라 부른다. 그중 가장 주목할 만한 특성은 비선형 유동학적인 특성이다. 벌크 액체 물은 빠른 변형 속도에도 점성이 변하지 않는 선형적인 특성을 가진 반면, 수화층의 경우 빠른 변형 속도에 점성이 변하는 비선형성을 가진다는 것은 약 10년전부터 알려져 왔다. 하지만 기존 연구들은 주로 물분자 한층 두께의 실험에만 국한되어 물리적 특성 분석에는 한계가 있어왔다.
제원호 교수 연구팀은 자체 개발한 수정진동자를 이용한 원자힘현미경을 이용하여 물분자 한층부터 여섯층까지의 수화층을 안정적으로 형성하고 측정하는데 성공하였으며, 뿐만 아니라 이 비선형성 특성이 단순한 점성의 변화가 아닌 수화층이 가진 긴 완화시간으로 인해 발생된 ‘난류(turbulence)’에 의한 현상임을 이론분석을 통해 증명하였다. 수화층의 난류가 일어나는 표면간 상대속도가 약 1 mm/s 이라는 실험결과는 이런 난류가 극단적인 경우에 발생하는 것이 아닌 우리 주변에서 흔히 일어나지만 우리가 이를 간과하고 있었다는 사실을 시사하고 있어, 향후 수화층이 중요하게 적용되는 다양한 물리, 화학, 생물학, 공학 연구에 영향을 줄 것이다. 또한 연구의 분석방법이 수화층의 특성연구 뿐 아니라, 다양한 비선형 유동학적 특성을 보이는 비점탄성 유체에도 적용 가능하여 앞으로 연구 범위가 크게 확장될 잠재력을 가지고 있다. 이 연구는 미래창조과학부/한국연구재단의 선도연구센터(ERC) 프로그램의 지원으로 이뤄졌다.
2015. 12.10.
연구처 연구지원과