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꿀을 비롯한 점도가 매우 높은 액체는 특수 코팅된 모세관에서 물보다 빠르게 흐릅니다. 이 놀라운 발견은 핀란드 알토 대학교의 마야 부코바츠(Maja Vuckovac) 연구팀이 해냈으며, 그들은 이러한 직관에 반하는 현상이 점도가 높은 액체 방울 내부의 흐름이 억제되기 때문이라는 사실도 밝혀냈습니다. 그들의 연구 결과는 초소수성 모세관에서 액체의 흐름에 대한 기존 이론 모델과 정면으로 배치됩니다.
미세유체학 분야는 주로 의료 기기 제조에 사용되는 모세관과 같이 매우 좁은 영역을 통해 액체의 흐름을 제어하는 ​​기술입니다. 미세유체학에는 점도가 낮은 유체가 가장 적합한데, 이는 유체가 빠르고 원활하게 흐르기 때문입니다. 점도가 높은 유체는 고압으로 구동할 수 있지만, 이는 미세한 모세관 구조에 기계적 스트레스를 증가시켜 파손을 초래할 수 있습니다.
또 다른 방법으로는, 미세 및 나노 구조를 포함하는 초소수성 코팅을 사용하여 유동 속도를 높이는 것입니다. 이 코팅은 공기 쿠션을 형성하여 액체와 표면 사이의 접촉 면적을 크게 줄이고 마찰을 감소시켜 유동 속도를 65%까지 증가시킵니다. 그러나 현재 이론에 따르면, 이러한 유동 속도는 점도가 증가함에 따라 계속 감소합니다.
부코바츠 연구팀은 초소수성 내부 코팅이 된 수직 모세관에서 중력에 의해 끌어당겨지는 다양한 점도의 물방울을 관찰하여 이 이론을 검증했습니다. 물방울은 일정한 속도로 이동하면서 아래쪽 공기를 압축하여 피스톤 내부와 유사한 압력 구배를 생성합니다.
개방된 관에서는 물방울이 점도와 유속 사이에 예상대로 반비례 관계를 보였지만, 한쪽 또는 양쪽 끝이 밀봉되면 그 규칙이 완전히 뒤집혔습니다. 이러한 현상은 글리세롤 물방울에서 가장 두드러지게 나타났는데, 글리세롤은 물보다 점도가 3배나 높음에도 불구하고 물보다 10배 이상 빠르게 흐릅니다.
이 현상의 물리적 원리를 밝히기 위해 부코바츠 연구팀은 액체 방울에 추적 입자를 주입했습니다. 시간에 따른 입자의 움직임을 관찰한 결과, 점성이 낮은 방울 내부에서 빠른 내부 흐름이 일어나는 것을 확인했습니다. 이러한 흐름으로 인해 액체는 코팅의 미세 및 나노 규모 구조로 침투하게 됩니다. 이는 공기 쿠션의 두께를 감소시켜 방울 아래의 압축된 공기가 압력 구배를 해소하기 위해 밀려 나오는 것을 방지합니다. 반면, 글리세린은 내부 흐름이 거의 없어 코팅 내부로 침투하지 못합니다. 결과적으로 공기 쿠션이 더 두꺼워져 방울 아래의 공기가 한쪽으로 이동하기 쉬워집니다.
연구팀은 관찰 결과를 바탕으로 다양한 초소수성 코팅이 적용된 모세관을 통해 액체 방울이 이동하는 방식을 더 정확하게 예측하는 최신 유체역학 모델을 개발했습니다. 추가 연구를 통해 복잡한 화학 물질과 약물을 다룰 수 있는 미세유체 장치를 개발하는 새로운 방법을 모색할 수 있을 것입니다.
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