저절로 리듬 타는 물방울
저절로 리듬 타는 물방울
  • 함예솔
  • 승인 2020.10.26 17:20
  • 조회수 2537
  • 댓글 0
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반딧불은 지휘자 없이도 박자를 맞춰 동시에 깜박입니다. 진동하는 두 시계추도 서서히 박자를 맞춥니다. 동기화 현상입니다. 흐르는 액체 속에서도 동기화 현상이 나타납니다. 물 속에서 유영하는 세포나 미생물의 무수히 많은 발(섬모, 편모)이 보이는 일사불란한 움직임들입니다. 이런 현상을 설명할 이론이 나와 눈길을 끌고있습니다. 

물방울, 저절로 박자 맞추는 이유 출처: UNIST
물방울, 저절로 박자 맞추는 이유 출처: UNIST

UNIST 물리학과 정준우 교수팀은 미세한 기름관(미세유체관)에서 작은 물방울들을 만들 때 저절로 박자를 맞추는 현상을 최초로 발견했습니다. 또 이 동기화 현상의 원인을 설명할 이론적 모델까지 제시했습니다. 해당 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다. 

 

저절로 박자 맞추며 동기화되는 물방울

 

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

물과 기름의 유속 조건에 따른 물방울 생성의 변화. 출처: UNIST
물과 기름의 유속 조건에 따른 물방울 생성의 변화. 출처: UNIST

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

초기에 서로 다른 시간에 나오던 두 물방울이 시간이 흐름에 따라 음의 피드백을 통해 동시에 나오는 상태로 안정화 되는 컴퓨터 계산 예시. 출처: UNIST
초기에 서로 다른 시간에 나오던 두 물방울이 시간이 흐름에 따라 음의 피드백을 통해 동시에 나오는 상태로 안정화 되는 컴퓨터 계산 예시. 출처: UNIST

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

  • 랩온어칩

바이오칩의 일종으로 '하나의 칩 위에 실험실을 올려놓았다'는 뜻입니다.  칩 내부가 수 마이크로미터(10-6m) 굵기의 가는 관으로 구성돼 있어 마이크로유체칩(미세유체칩)이라고도 합니다. 내부 유체(액체 시료) 흐름을 제어해 암이나 병원균 검출하거나 인체 장기를 모방한 생체 실험이 가능합니다. 

독립적으로 제어된 서로 다른 물방울들의 생성이 동기화되는 실험 예시들. (a) 서로 다른 압력(P1≠P2)에서 생성되어 크기가 다른 물방울과 (b) 점성이 서로 크게 다른(μ1≠μ2) 물방울의 생성에서 나타나는 동기화 현상. 출처: UNIST
독립적으로 제어된 서로 다른 물방울들의 생성이 동기화되는 실험 예시들. (a) 서로 다른 압력(P1≠P2)에서 생성되어 크기가 다른 물방울과 (b) 점성이 서로 크게 다른(μ1≠μ2) 물방울의 생성에서 나타나는 동기화 현상. 출처: UNIST

제1저자이자 공동교신저자인 엄유진 UNIST 물리학과 연구교수는 "랩온어칩을 이용한 물방울 생성에 대한 기존 연구들이 간과했던, ‘동시 생성’ 동기화를 최초로 관찰한 것"이라고 강조하며 "이 모델 시스템을 이용하여 미세유체 내에서 일어나는 동기화 현상에 대한 이해를 높일 수 있을 것이다"라고 설명했습니다.

(우측부터) UNIST 물리학과 정준우 교수, 생명과학과 강주헌 교수, 물리학과 엄유진 연구교수. 출처: UNIST
(우측부터) UNIST 물리학과 정준우 교수, 생명과학과 강주헌 교수, 물리학과 엄유진 연구 교수. 출처: UNIST

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 것"이라고 밝혔습니다.


##참고자료##

 

Um, E., Kim, M., Kim, H. et al. Phase synchronization of fluid-fluid interfaces as hydrodynamically coupled oscillators. Nat Commun 11, 5221 (2020). 


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