Substrate-Directed Wetting Layers in Bicontinuous Particle-Stabilised Emulsions

당신이 결코 무너지지 않는 아주 작은 스펀지 같은 구조물을 만들 수 있고, 그 안에 기름과 물처럼 서로 섞이지 않는 두 가지 액체를 채울 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이 구조물들은 미세한 입자 군단에 의해 결합되어 있습니다. 이것은 입자들이 유체 속에서 어떻게 행동하는지를 연구하는 물리학의 한 분야인 **콜로이드 과학(colloidal science)**의 영역입니다. 이 세계에서 과학자들은 **연속상 물질(bicontinuous materials)**을 만드는 데 몰두하고 있습니다. 이것을 구멍이 뚫린 스펀지가 아니라, 두 종류의 서로 다른 액체가 마치 이중 나선 고속도로 시스템처럼 연속적인 통로를 따라 나란히 흐르는 복잡하게 얽힌 미로라고 생각하십시오. 이러한 구조는 무언가를 이동시키는 데 매우 효율적이어서, 오염 물질 정화, 배터리 내 에너지 저장, 심지어 새로운 신체 조직의 성장을 돕는 일 등에 완벽하게 적합합니다.

이 미로를 만들기 위해 과학자들은 STrIPS(용매 전이 유도 상분리, Solvent-Transfer-Induced Phase Separation)라고 불리는 영리한 기술을 사용합니다. 기름, 물, 그리고 양쪽 모두를 좋아하는 특별한 용매가 섞인 혼합물이 있다고 상상해 보십시오. 만약 그 용매를 천천히 제거하면, 기름과 물은 분리되기 시작합니다. 하지만 단순히 커다란 덩어리를 형성하는 대신, 이들은 혼란스럽고 아름다운 춤을 추며 영구적으로 얽힌 네트워크를 형성하도록 갇히게 됩니다. 이 네트워크가 무너지지 않도록 유지하기 위해, 과학자들은 나노입자를 추가합니다. 이 미세한 입자들은 기름과 물 사이의 경계면에 끼어들어 형태를 유지하는 보호 갑옷 역할을 합니다.

하지만 여기 함정이 있습니다. 이 구조물을 고체 표면(유리 슬라이드와 같은) 위에 얇은 막 형태로 만들려고 할 때, 표면 자체가 마치 독단적인 심판처럼 행동하기 시작합니다. 표면은 그저 가만히 있는 것이 아니라, 유리 바로 옆에서 기름과 물이 어떻게 행동할지에 영향을 미칩니다. 과학자들이 계속해서 던져온 큰 질문은 이것입니다: 표면은 기름과 물 중 어느 쪽에 더 신경을 쓰며, 그것이 최종적인 미로의 모양을 어떻게 변화시키는가? 이 질문을 이해하는 것은 매우 중요합니다. 왜냐하면 당신이 이 박막을 실제 세상의 장치에 사용하고 싶다면, 그들이 바닥에 어떻게 달라붙고 접촉 지점에서 어떤 모습을 보이는지 정확히 알아야 하기 때문입니다.

이 연구에서 제시 스틴호프(Jesse Steenhoff)와 마틴 하제(Martin Haase)는 이 미세한 미로를 탐정처럼 조사하기로 했습니다. 그들은 물을 매우 좋아하거나 물을 싫어하도록 조정된 유리 슬라이드 위에 이 "비젤(bijel, bicontinuous interfacially jammed emulsion gel)" 박막을 구축할 때 어떤 일이 일어나는지 알고 싶었습니다.

먼저, 그들은 자신들만의 "독단적인 심판"을 만들어야 했습니다. 그들은 일반 유리 슬라이드를 가져와 n-OTMS라는 화학 물질로 처리했습니다. 이 화학 물질을 아주 작은 기름진 꼬리로 만들어진 갑옷 코트라고 생각하십시오. 유리 슬라이드를 이 화학 물질 용액에 담그는 시간을 조절함으로써, 그들은 유리가 얼마나 "기름진지"(소수성)를 제어할 수 있었습니다. 짧게 담그면 유리는 대부분 물을 좋아하게 남았고, 길게 담그면 점점 더 물을 싫어하게 되었습니다. 그들은 유리 위에 작은 물방울을 떨어뜨려 실험이 제대로 되었는지 확인했습니다. 처리되지 않은 유리에서는 물이 평평하게 퍼졌지만, 처리된 유리에서는 물이 방울져 맺혔는데, 이는 표면이 변했음을 증명하는 것이었습니다.

다음으로, 그들은 비젤 박막을 만들었습니다. 그들은 이렇게 특별히 준비된 유리 슬라이드를 기름, 물, 그리고 실리카 나노입자(너비 약 22나노미터)가 포함된 전구체 혼합물에 담갔습니다. 용매가 증발함에 따라 기름과 물이 분리되었고, 나노입자들이 계면에 끼어들어 구조를 고정했습니다. 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 보기 위해 그들은 **공초점 현미경(confocal microscope)**이라는 초강력 현미경을 사용했습니다. 이것은 단순한 일반 카메라가 아니었습니다. 그것은 박막 내부의 3D 이미지를 찍을 수 있었고, 층별로 잘라내어 기름(마젠타색), 물(검은색), 그리고 나노입자(초록색)를 볼 수 있었습니다.

그들이 발견한 것은 표면의 영향력에 관한 매혹적인 이야기였습니다. 가장 물을 좋아하는 유리(처리되지 않은 종류)를 사용했을 때, 박막은 유리 바로 옆에 완벽하게 매끄럽고 평평한 물 층을 형성했습니다. 그것은 마치 해안선을 따라 흐르는 잔잔하고 층을 이룬 강과 같았습니다. 그러나 유리가 물을 더 싫어하게 될수록 이야기는 변했습니다. 매끄러운 물 층이 사라졌습니다. 대신, 표면은 조각보처럼 변했습니다. 물이 풍부한 영역은 작은 섬처럼 줄어들었고, 기름이 풍부한 영역이 점령하기 시작하면서 울퉁불퉁하고 뒤섞인 표면층을 만들었습니다.

연구원들은 또한 "갑옷"(나노입자)에 대해서도 무언가를 발견했습니다. 혼합물에 더 많은 나노입자를 넣었을 때, 표면층을 포함한 전체 구조가 더 얇아졌습니다. 마치 나노입자들이 너무 빽빽하게 패킹되어 층을 쥐어짜는 것 같았습니다. 이는 표면 효과를 명확하게 관찰하려면 나노입자를 적게 사용해야 하며, 그렇지 않으면 층이 너무 얇아서 관찰하기 어렵다는 것을 의미했습니다.

그들의 관찰이 단순한 우연이 아님을 확인하기 위해, 그들은 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 표면의 "기름기"를 조절하며 액체가 분리되는 과정을 지켜볼 수 있는 가상의 세계를 만들었습니다. 컴퓨터는 현미경 결과와 일치했습니다: 매우 물을 좋아하는 표면에서는 매끄러운 물 층이 생기고, 매우 물을 싫어하는 표면에서는 매끄러운 기름 층이 생긴다는 것이었습니다. 하지만 실제 실험에서는 반전이 있었습니다. 컴퓨터는 매우 물을 싫어하는 표면이 완벽하고 매끄러운 기름 층을 만들어낼 것이라고 말했지만, 실제 박막은 그렇게 하지 않았습니다. 완벽한 시트 형태 대신, 기름은 패치워크 형태의 불균일한 층을 형성했습니다. 저자들은 이것이 만약 기름 층이 너무 완벽하고 연속적이었다면, 박막 전체가 유리에서 떨어져 나와 주변의 기름 욕조 속으로 떠내려갔을 것이기 때문이라고 제안합니다.

그래서, 핵심은 무엇일까요? 이 논문은 우리가 이 박막을 만드는 표면이 강력한 연출가라는 점을 시사합니다. 표면은 단지 박막을 붙잡고 있는 것이 아니라, 바로 첫 번째 층의 모양을 결정합니다. 물이 풍부한 시작을 원한다면 물을 좋아하는 표면을 사용하십시오. 기름이 풍부한 시작을 원한다면 물을 싫어하는 표면을 사용하십시오. 하지만 이것은 섬세한 균형입니다. 표면을 너무 극단적으로 만들면, 박막이 접착력을 잃을 수도 있습니다. 이러한 통찰력은 과학자들이 필터나 의료용 스캐폴드(scaffold)와 같은 용도로 이러한 재료를 더 잘 설계할 수 있도록 도와주며, 맨 밑바닥부터 올바른 구조를 가지고 제대로 부착되도록 보장해 줍니다.