단국대 연구팀, '물의 표면장력으로 나노입자 최대 75% 변형 원리' 세계 최초 규명

[충청뉴스 김남숙 기자] 단국대학교 김세영 교수(고분자시스템공학부) 연구팀이 물의 표면장력에 의해 수면 위 나노입자가 변형되는 현상과 그 원리를 세계 최초로 실험을 통해 규명했다고 밝혔다.

연구팀은 표면장력과 입자의 강성에 따른 구조 변화를 실시간으로 측정해 나노입자가 최대 75%까지 변형된다는 사실을 확인했다. 이번 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 나노과학 분야 국제 저명 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters, IF 9.1)’에 게재됐다. 논문명은 ‘Elastocapillary Deformation of “Glassy” Polymer Micelles at an Air–Water Interface’이다.

‘계면활성 나노입자’는 물과 기름처럼 섞이지 않는 경계면의 표면장력을 낮춰주는 물질로, 화장품·의약품·친환경 코팅 등 다양한 산업군에서 기존 계면활성제를 대체할 차세대 핵심 소재로 주목받고 있다. 나노입자가 경계면에서 변형되는 정도는 유화 성능과 경계면 안정성에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 변형 조건과 메커니즘을 규명하는 것은 고성능 소재 설계를 위한 핵심 과제로 꼽혀왔다.

그동안 학계에서는 나노 미시 세계에서도 물의 표면장력이 입자 구조를 변화시킬 것으로 추정해 왔으나, 입자가 극도로 작아 수면 위 변형 과정을 실시간으로 정량 측정해 입증한 사례는 없었다.

이에 연구팀은 강성 조절이 가능한 구형 고분자 나노입자를 제조하고, 표면장력을 조절하는 ‘랭뮤어 수조(Langmuir trough)’와 ‘중성자반사율(neutron reflectivity)’ 측정 기술을 활용해 수면 위 입자 구조의 변화를 비파괴 방식으로 실시간 분석했다.

실험 결과, 표면장력과 나노입자의 강성에 따라 최대 75%에 이르는 변형이 일어남을 확인했으며, 이는 탄성체가 표면장력에 의해 변형되는 ‘탄성모세관(elastocapillary) 현상’이 나노 영역에서도 강력하게 작용함을 입증한 결과다. 기존의 강체 또는 액체 기반 이론만으로 설명하기 어려웠던 나노입자의 구조 변화가 입자의 탄성과 표면장력 간 상호작용에서 비롯됨을 명확히 밝혀낸 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.

한편, 이번 연구는 미국 퍼듀대학교, 일본 J-PARC 연구소와의 국제 공동 연구로 진행됐으며, 한국연구재단의 ‘개인기초연구지원(생애첫연구)’ 및 ‘해외대형연구시설활용연구지원사업’의 지원을 받았다. 단국대 고분자공학과 김상윤·진신저 석사가 공동 제1저자로 참여했다.