[과학을 읽다]분자수준 유체 흐름 예측모델 나온다

나노관련 의료기기 발전에 역할 기대

▲초미세유체와 일반적인 거시유동의 차이이점을 밀도분포, 유동형태, 점도, 온도분포에 따라 도식화(a), 구리표면위 나노액적의 상태와 접촉각에 따른 에너지(b), 초미세유체의 전단유동 구현(c).[사진제공=한국연구재단]

[아시아경제 정종오 기자] 초미세유체(분자수준유체)의 수송현상 예측 모델이 개발됐습니다. 매우 작은 크기인 나노 관련 의료기기 등 나노 산업 발전에 중요 촉매 역할을 할 것으로 기대됩니다.

초미세유체는 분자 수십 개에서 수백 개 정도가 일렬로 나열된 폭 정도의 미세한 나노채널 구조물에서 흐르는 유체를 말합니다. 극소량의 혈액으로 질병과 DNA 등을 판별하는 것 등이 초미세유체의 대표적 활용 방법이다. 유체는 액체와 기체를 합쳐 부르는 용어입니다. 변형이 쉽고 흐르는 성질을 가지고 있습니다. 윤활유, 냉각수, 주사액, 혈액 등이 유체에 속합니다.

일상생활에서 접하게 되는 대부분의 거시유체는 유동의 세기에 비례해 발생한 열과 온도 분포를 쉽고 정확하게 예측할 수 있습니다. 그 인과관계가 에너지 보존법칙을 기반으로 아주 간단하고 완벽하게 설명됩니다. 반면 초미세유체의 유동과 에너지 수송현상은 정확히 예측하기가 어려웠습니다. 초미세 유체 경계면에서 분자간의 인력에 의해 점도나 밀도의 불균형 현상 등이 나타나기 때문입니다.

연구팀은 초미세유체의 수송현상이 일어날 때 모델링을 통한 예측 값과 실제 분자들의 흐름에 의한 결과 값 사이에 오차가 나는 이유를 토대로 해 오차의 범위를 최소한으로 줄일 수 있는 새로운 예측 수식을 고안했습니다. 초미세유체 경계면의 특성으로 유발되는 측정온도 값의 불연속성을 초미세유체 유동채널의 벽인 경계 조건에 새롭게 적용해 새로운 모델을 개발했습니다.

이번 연구는 김보흥 울산대 교수 연구팀이 수행했습니다. 김 교수는 "이번 성과로 마이크로·나노필터, 나노미터크기의 바늘 주사기, 혈액 속 노폐물을 거르고 질병유무 물질을 분석하는 여과 필터기 등을 설계할 때 정확한 흐름양 예측이 가능해졌다"며 "의료기기부터 나노 관련 주요 산업의 발전을 위한 중요한 촉매제가 될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했습니다.

한편 연구 결과는 국제 학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 9월21일자(Transport Phenomena of Water in Molecular Fluidic Channels))에 실렸습니다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr