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뛰어난 소수성을 지닌 고분자 물질
소수성(hydrophobic, 疏水性)이라는 용어가 있다. 물에 대하여 친화력이 부족한 성질을 말하는
것으로 친수성에 반대되는 용어다. 따라서 소수성을 가진 물질은 물분자에 대한 친화력이 없거나 거의
없는 성질을 띠기 때문에 물에 녹지 않거나 물질 표면에서 물을 밀어내는 현상을 보인다. 
자연에서 볼 수 있는 소수성을 가진 대표적인 존재로는 연꽃 잎이나 대나무 잎, 그리고 오리 깃털과 소금쟁이의 다리 등을 꼽을 수 있다. 최근
들어 이런 자연계의 소수성을 모방한 기술들이 세척이 필요 없는 건물 유리 등을 개발하는 데 적용되어 많은 화제를 모으고 있다.
뛰어난
소수성을 지닌 고분자 물질
소수성에 대한 학계와 업계의 관심이 높아지고 있는 상황에서, 최근 미국의 과학자들이 어떠한 종류의 용액에도 저항성을 지닌 새로운 형태의 소수성 표면 물질을 만들어내는
데 성공했다는 소식이 전해져 주목을 끌고 있다.
디지털 기술 전문 매체인 와이어드(WIRED)는 온라인 판을 통해 애니쉬 투트야(Anish Tuteja) 박사가 이끄는 미시간대 연구진이 물이나 기름, 그리고
알칼리 및 산과 같은 다양한 종류의 용액에도 뛰어난 소수성을 보이는 물질인 슈퍼옴니포빅(superomniphobic)을
개발했다고 보도했다.
미시간대 연구진이 개발한 물질인 슈퍼옴니포빅은 두 가지 요인을 통해 작동하는 것으로 알려졌다. 이에
대해 투트야 박사는 “이들 요인들은 각각 이들이 지닌 화학적 구조(chemical structure)와
물리적인 레이아웃(physical layout)을 의미한다”고 밝혔다.
슈퍼옴니포빅은 고분자로 코팅되어 있는 매우 작은 강철 그물로 이루어져 있다. 이런 독특한
패턴은 표면에 달라붙는 성질을 제한하게 만들어주고, 고분자들로 이루어진 알갱이들 사이의 작은 공기
주머니는 이 물질들이 표면 상에서 다른 부분들과 접촉하는 것을 막아주는 역할을 하기 때문에 액체로 표면이 젖는 것을 막아주는 역할을 하는 것으로
알려졌다.
투트야 박사는 “슈퍼옴니포빅에서 일어나는 표면상의 반발력(repellent)은 젖는 현상과 관련된 이력현상(hysteresis)을
제한함으로써 발생한다”고 설명했다. 여기서 이력현상이란 어떤 물리적인 현상이 발생할 때, 단순히 물리적인 조건만으로는 결정되지 않고 그 이전에 그 물질이 경과해 온 상태의 변화과정에 의존한다는
현상을 말하는 것이다.
연구진이 밝힌 자료에 따르면 이력현상이 일어나면 액체에 의한 영향을 받는 면적이 줄어드는 것으로 나타났는데, 이러한 연구결과는 액체가 접촉할 때 방울의 형태를 유지하면 할수록 더 적은 양이 표면에 결합한다는 것을
의미한다.
연구진은 실험을 거듭하면서 여러 가지 종류의 액체들에 대해 반발하는 소재의 표면을 만드는 것이 어렵다는 사실을 알게 되었다. 이런 결과는 여러 액체들이 소재의 표면에 접촉하는 동시에 물리적 형태가 변화하는 성질이 크기 때문인 것으로
밝혀졌다.
따라서 소재 표면에 액체들이 떨어졌을 때 이들의 형태가 변하는 것을 막아줄 수 있는 방법을 알아내는 것이 중요하다. 연구진은 슈퍼옴니포빅을 이용해 액체의 물리적 변형을 막아 소재 표면으로 퍼져나가는 것을 막을 수 있는 방법을
알아냈다.
표면
보호하고 수중 저항 줄이는 역할 기대
미시간대 연구진에 따르면, 액체
방울이 소재 표면에서 다시 튀도록 하기 위해서는 액체들과 소재 표면 사이에 공기주머니 같은 완충 역할을 할 수 있는 공간을 제공해야 한다. 연구진은 이를 위해서는 화학적 측면에서 표면의 에너지가 낮은 소재를 사용해야 한다는 점을 강조했다.
물리학적 측면도 고려해야 한다. 물은 물방울 형태를 만드는 것이 쉽지만 기름은 그렇게
할 수가 없기 때문이다. 따라서 다음 단계로 진행하려면 소재 표면을 기하학적 구조로 설계해야 한다는
것이 연구진의 종합적인 의견이다.
투트야 박사는 “슈퍼옴니포빅이 함유된 액체에 전기장을 가하는 작업과 함께 농도를 조절함으로써 슈퍼옴니포빅이
함유된 액체가 미세한 물방울로 분해되는 방식에 변화를 줄 수 있었다”며, “이 물방울들을 표면에
칠하게 되면 어떤 소재든지 코팅할 수 있다”고 설명했다. 
그러면서 투트야 박사는 “소재 표면은 고도의 다공성 표면인 나노포어(nanopore) 구조로
이루어지게 된다”며, “그렇게 되면 대단히 많은 수백만 개의 작은 공기주머니들이 여러 가지 액체와
코팅된 소재의 표면 사이에 위치하면서 이들이 서로 접촉할 수 없게 만든다”고 전했다.
이에 따라 연구진은 소재 표면에 여러 액체들을 통과시킴으로써 액체에 저항하는 슈퍼옴니포빅의 성질을 입증할 수 있었는데, 이 물질로 코팅된 알루미늄 판에 여러 산들을 접촉시킨 결과 이들이 화학적인 공격으로부터 표면을 보호할 수
있다는 사실을 밝혀냈다.
이런 결과에 대해 투트야 박사는 “만약 산이 소재의 표면에 접촉하지 못한다면, 산은
표면을 부식시킬 수 없을 것”이라며, “실제로 슈퍼옴니포빅에 코팅된 소재의 견본을 2달 동안 액체에 담갔다가 꺼냈는데도 완전히 마른 표면이었다”고 덧붙였다.
투트야 박사는 “마치 마술 같이 보일 수 있는 현상이지만 그렇지는 않다”라며, “현재, 실험실 상에서는 나노포어의 특성 덕분에 염산 같은 액체도 소재에 침투할 수 없지만, 아직 현장에서 사용하는 규모가 큰 소재의 경우는 종종 침투가 되기 때문에 완벽한 기술은 아니다”라고 소개했다.
현재, 미시간대 연구진은 코팅 상태가 더욱 오래 지속될 수 있는 방안을 찾아 연구중에
있는 것으로 알려졌다. 이 같은 코팅 소재는 각종 기기의 표면 보호로부터 보트의 수중 저항을 줄이는
데도 사용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.
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