미세유로에서 저점도 고분자 용액의 완화시간 측정 및 입자 집속에 관한 연구

Abstract

점탄성(viscoelastic) 유체는 우리 일상에서 널리 이용되고 있다. 특히, 고분자 용액은 산업적으로 관련된 여러 재료 및 응용분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 따라서 고분자의 유변학적 특성을 이해하기 위해서 물질의 완화시간(relaxation time)을 측정하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 미세유체소자 기술을 이용하여 물질의 완화시간을 측정하는 간편한 방법을 제시하고자 한다. 종래의 기술을 이용하여 완화시간을 측정하는 경우, 기기의 관성이 미치는 영향과 낮은 민감도 때문에 저점도와 작은 값의 완화시간을 가지는 물질의 경우 정확한 측정을 할 수 없다는 한계가 있다. 따라서 최근 미세유체공학(microfluidics) 기술을 이용하여 이를 극복하고자 하는 시도가 많이 진행되고 있다. 그러나 선행 연구들은 채널의 형상이 복잡하고, 시스템과 유동장을 제어하기 위한 특별한 능력이 요구된다. 본 연구에서는 고분자 용액의 탄성과 관성 때문에 발생하는 입자의 이동을 이용하여 물질의 완화시간을 측정할 수 있는 간단한 방법을 제시한다. 먼저, 본 연구에서는 고분자 용액의 탄성에 관한 기존 이론을 통해 입자의 위치와 용액의 물성에 의존하는 식을 유도하였다. 이후, PEO(polyethylene oxide)용액을 이용한 입자 집속 실험을 반복하여 입자의 거동을 추적하였다. 이후, 이미지를 분석하여 경험적 상수를 결정하고, 이를 앞서 세운 식에 대입하여 PEO 용액의 완화시간을 측정하였다. 마지막으로 Zimm 이론으로 계산된 완화 시간과 비교, 검증하였다. 또한, 본 연구에서는 입자와 채널의 크기가 작아짐에 따라 급격하게 변화하는 입자의 거동을 발견하였다. 탄성 지배적 흐름 환경을 갖는 합성 고분자 용액에 분산된 콜로이드 입자가 사각 채널의 네 모서리와 중앙으로 정렬된다는 것은 선행 연구들을 통해 확인되었다. 하지만, 본 연구에서는 묽은 λ-DNA 용액에 분산된 콜로이드 입자는 좁은 사각 채널의 네 모서리에만 분포한다는 것을 관찰하였다. 본 연구와 공동으로 진행된 연구에서는 복잡유체의 탄성 효과와 DNA에 의한 margination 효과가 이러한 콜로이드 입자의 거동의 원인임을 확인하였다. 본 결과는 DNA 분자의 크기와 입자의 크기가 비슷해짐에 따라 연속체(continuum) 기반에서 분자 수준(molecular level) 점탄성(viscoelasticity) 기반의 입자 이동 현상으로 변화가 일어났기 때문에 이러한 현상이 발생하였다고 예측한다. 본 연구는 본 결과가 나노 입자 및 바이러스, 단백질 등과 같은 생체분자를 집속 시키거나 분리하는데 적용할 수 있을 것으로 기대한다.