[사이언스] 저절로 박자 맞추는 물방울 최초 발견... 동기화 현상 제시

UNIST 정준우 교수팀, 랩온어칩에서 물방울 형성의 동기화 발견

특허뉴스 박진석 기자 | 기사입력 2020/10/19 [13:21]

[사이언스] 저절로 박자 맞추는 물방울 최초 발견... 동기화 현상 제시

UNIST 정준우 교수팀, 랩온어칩에서 물방울 형성의 동기화 발견

특허뉴스 박진석 기자 | 입력 : 2020/10/19 [13:21]

 

반딧불은 지휘자 없이도 박자를 맞춰 동시에 깜박인다. 진동하는 두 시계추도 서서히 박자를 맞춘다. 동기화 현상이다. 흐르는 액체 속에서도 동기화 현상이 나타난다. 물 속에서 유영하는 세포나 미생물의 무수히 많은 발(섬모, 편모)이 보이는 일사불란한 움직임들이다. 이런 현상을 설명할 이론이 나와 눈길을 끈다.

 

UNIST 물리학과 정준우 교수팀은 미세한 기름관(미세유체관)에서 작은 물방울들을 만들 때 저절로 박자를 맞추는 현상을 최초로 발견했다. 또 이 동기화 현상의 원인을 설명할 이론적 모델까지 제시했다.

 

기름이 흐르는 미세유체관에 물을 양옆에서 넣어주면 기름과 섞이지 않는 물줄기가 스스로 끊어져 물방울이 된다. 원래 이 물방울은 양쪽에서 엇박자로 만들어지는 것이 당연했다. 그런데 연구팀은 특정조건에서 처음에는 제각각 만들어지던 물방울들이 시간이 지나면서 저절로 박자를 맞추며 동기화 되는 장면을 잡았다.

 

연구팀은 이를 경계면 간(계면)의 상호작용이라는 물리학적 원리로 설명했다. -기름 간 경계면에서 미세하게 발생하는 진동을 시계추처럼 하나의 진동자로 본 것이다. 물방울이 여러 개 생기면 진동자가 물방울 수만큼 생기고 여러 진동자 간의 상호작용으로 물방울 생성 주기가 맞춰진다. 마찬가지로 물 속에서 떠다니는 세포의 섬모를 하나의 진동자로 보면 섬모들이 박자를 맞춰 움직이는 행태를 설명할 수 있다.

 

연구팀은 두 물방울 생성이 박자를 맞추는 정도를 두 물방울(계면)의 거리, 액체의 흐름 속도, 점도 등을 조절해 바꿨다. 이는 암이나 병원균을 진단하는 랩온어칩(Lap-on-a-chip)에서 액체 시료의 흐름을 조절하는 데 쓰일 수 있는 기술이다.

 

▲ 물과 기름의 유속 조건에 따른 물방울 생성의 변화. (a) (상단) 번갈아 나오는 동기화(out-of-phase)와 (하단) ‘동시 생성 동기화’ (in-phase) (b) 실험에 쓰는 액체 종류와 유속 등을 변화 시켜 동기화 정도(종류)를 이론적으로 예측 할 수 있다.   © 특허뉴스

 

1저자이자 공동교신저자인 엄유진 UNIST 물리학과 연구교수는 랩온어칩을 이용한 물방울 생성에 대한 기존 연구들이 간과했던, ‘동시 생성동기화를 최초로 관찰한 것이라고 강조하며 이 모델 시스템을 이용하여 미세유체 내에서 일어나는 동기화 현상에 대한 이해를 높일 수 있을 것이다라고 설명했다.

 

정준우 교수는 동기화 현상을 직관적인 원리와 함께 설명할 수 있는 교과서적인 모델 시스템으로, 복잡한 구조 제작 없이 유체를 제어할 수 있는 미래형 랩온어칩 기술로 유용할 것이라고 밝혔다.

 

UNIST 바이오메디컬공학과 강주헌 교수가 참여한 이번 연구는 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 1015일자 온라인판에 게재됐다.

 

논문명은 Phase synchronization of fluid-fluid interfaces as hydrodynamically coupled oscillators 이다.

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