| 점탄성 유체의 특성 연구 |
| KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2010-02-05 |
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미국 UCLA 대학의 조셉 테란(Joseph Teran)과 동료 연구진은 자유롭게 수영하는 사람이 점탄성 유체(viscoelastic fluid)에서 수영할 때 어떤 현상이 일어나는지를 알 수 있게 해주는 컴퓨터 모델을 개발하였다. 복잡한 생물학적 유체를 통해서 움직이는 미생물들이 많이 있다. 미생물들은 매우 복잡한 환경을 통하여 움직이기 때문에 이런 유기체들이 어떻게 점탄성 유체를 통하여 움직이는지를 더 잘 이해하는 것은 매우 중요하다. 이들 연구진은 표준 뉴토니안 유체(Newtonian fluid)에 기반한 단순한 모델보다 더 실제적인 매체를 포함한 모델을 개발하였다. 모델이 더 간단할수록 수학적으로 문제를 풀기는 쉽지만, 실제로 일어나고 있는 물리현상을 기술하는 데는 덜 정확하게 된다고 연구진은 말하였다. 단순한 모델에서, 물체는 종종 유체를 통하여 머리나 꼬리 없이 움직이는 것으로 묘사된다. 더구나, 이런 단순한 모델들은 탄성의 요소를 포함하지 않은 유체의 점성만을 포함한다. UCLA 연구진은 자유롭게 수영하는 물체에 머리와 꼬리를 더하고 꼬리의 진동을 표현하는 정보도 추가하였다. 연구진은 그들의 계산에 점탄성 보거(Boger) 유체를 사용하여 실제적인 조건을 더 정확하게 표현할 수 있게 하였다. 이들의 연구 결과 기존의 상식과는 다른 연구 결과가 나왔다. 진흙이나 꿀과 같은 점성 유체(viscous fluid)는 본질적으로 전단(shear) 저항력이기 때문에 움직이는 물체를 정지시키려는 경향이 있다. 그러나 여기에 탄성을 더하면 점탄성 유체는 기억과 모양 변화에 대한 저항을 가지고 있기 때문에 점탄성 유체를 수영하는 것은 점성 유체에서 보다 더 어려워 보인다. 그러나 연구진은 자유롭게 수영하는 사람은 단순한 점성 유체에서 보다 점탄성 유체안에서 더 빨리 갈 수 있다는 것을 발견하였다. 해답은 헤엄치는 것의 꼬리 운동에 있다. 만약에 당신이, 미생물의 헤엄치는 것에서 볼 수 있듯이, 꼬리 운동을 강조한다면 당신은 유체의 탄성을 사용하여 일종의 밀어냄을 만들어 미생물이 더 빨리 움직일 수 있는 것을 볼 수 있는 것이다. 연구진은 그들의 연구 결과가 다양한 생물학적 응용에 사용될 수 있을 것으로 보고 있다. 가장 확실한 분야는 생식과 불임분야라고 연구진은 말하였다. 정자가 어떻게 움직이는지를 이해하게 되면 수정될 수 있도록 어떻게 도와줄 수 있는지를 알아 낼 수 있을 것이라고 연구진은 덧붙였다. 연구진은 또한 이런 유체들이 어떻게 작용하는지를 이해하면 다른 엔지니어링이나 생물학적 기능 분야에도 사용될 수 있을 것이라고 말하였다. 연구진은 앞으로 그들의 모델을 더 향상시킬 수 있기를 희망하고 있다. 현재까지 연구진의 모델은 2차원에 기반한 것이며 사용한 보거 유체는 정교한 점탄성 유체는 아니다. 그러나 연구진은 그들이 모델이 유효하다는 것을 알기 때문에 3차원으로 모델을 확장하고 더 향상된 컴퓨터 코드를 개발하고자 한다. 연구진은 더 향상된 모델로 과학자들이 유체 동역학을 더 잘 이해하게 되기를 희망한다고 말하였다. 그들의 연구 결과는 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 저널에 “Viscoelastic Fluid Response Can Increase the Speed and Efficiency of a Free Swimmer” 라는 제목으로 발표되었다. |
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