나노기술 및 정책 정보

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일리노이 대학교(University of Illinois at Urbana-Champaign) 연구팀이 핀 머리에 맞을 만큼 작은 장치를 사용하여 나노스케일에서 고분자 섬유의 특성에 대한 새로운 지식을 얻었음. 이는 무질서하게 쌓은 필라멘트로 이루어졌으나 이물질이 폐로 들어가는 것을 차단하도록 설계된 견고한 필터를 설계하고 제조하는데 도움을 줄 수 있음. 상호 연결된 필라멘트의 네트워크 구조는 공기필터와 같은 소비자 제품을 비롯하여 결합 생체조직, 거미줄, 생체조직 성장을 위한 스캐폴드와 같은 생물학적 및 생물 공학적 시스템의 모든 곳에서 볼 수 있음. 이 연구는 응착력과 마찰이 나노미터 길이 단위로 결합되는 방식에서 직접적인 통찰력을 제공함. 같은 물질의 나노스케일 섬유는 서로 강하게 응착되어 분리가 어려움. 그리고 강제로 분리하여도 자발적으로 다시 응착함. 이러한 현상에 대한 실험적 통찰력을 얻는 것은 연질 나노섬유의 강력하고 탄력적이며 견고한 네트워크 설계에 직접적인 영향을 미칠 수 있음. 육안으로 볼 수 있는 거시적 길이 척도에서 마이크로 및 나노미터 길이 척도로 점점 더 작아질수록 입자와 섬유의 표면적은 부피에 비해 넓어지므로 모든 것이 더 끈적해짐. 수백만 개의 접합부가 있는 십자형 나노섬유 네트워크에서 연구팀은 겹치는 접합부 중 하나에서 어떤 일이 발생하는지 알아보고 두 개의 섬유를 분리하거나 밀어내는 데 필요한 힘을 측정하기 위해 실험을 수행했음. 실험에 사용된 나노섬유 중 하나의 직경은 사람의 머리카락보다 100 배 이상 작음. 잠재적으로 수십억 개의 나노섬유로 구성되는 거시적 규모의 네트워크에서 일어나는 일을 이해하려면 먼저 두 개의 나노섬유가 교차하는 접합부의 기계적 현상을 이해해야함. 나노스케일 섬유로 실험하려면 특수한 마이크로 크기 장치가 필요하여, 크기가 1mm 미만인 초소형 기계 (Micro-Electro-Mechanical Systems 또는 MEMS)를 설계하고 제작하였음. 이 연구에서 연구팀은 직각으로 배향된 두 개의 MEMS 장치를 결합하여 두 개의 섬유를 함께 밀어 넣은 다음 슬라이딩으로 분리했음. 그렇게 하면서 응착력과 마찰로 인한 힘을 동시에 측정 할 수 있었음. 이렇게 나노스케일 섬유에 대한 측정이 이루어진 것은 이번이 처음임. 실험 측정을 통해 두 나노섬유 표면의 응착부 사이에 형성되는 접촉 면적의 크기를 계산했음. 슬라이딩 힘을 가하면 응착에서 벗어나기 시작하여 슬라이딩 힘이 갑자기 떨어지고 불안정성이 발생했음. 이는 나노스케일에서 응착력이 얼마나 강한 지를 보여주는 것임. 연구팀의 실험에서 발견된 주요 결과는 접촉 면적으로 나눈 임계 슬라이딩 힘이 폴리머의 전단항복응력과 동일하다는 것임. 폴리머를 당기거나 늘릴 때 특정 응력에서 초기 구성으로 돌아가지 않을 소성변형을 시작함. 소성변형이 시작되는 응력은 폴리머의 항복응력으로 알려져 있음. 연구팀은 직경이 다른 섬유를 테스트했음. 매번 슬라이딩 힘을 접촉면 크기로 나눈 전단응력의 특정 값에서 슬라이딩 불안정성이 발생하였고, 폴리머의 전단강도와 동일 함을 관찰했음.

본 연구 성과는 ‘Journal of the Mechanics and Physics of Solids’ (“Sliding of adhesive nanoscale polymer contacts”) 지에 게재됨.