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거미나 도마뱀붙이가 천장이나 벽을 자유롭게 걸어 다니는 모습은 오랫동안 과학자들에게 놀라운 탐구과제였다. 스웨덴 연구진은 이번에 이러한 도마뱀붙이의 발과 같은 새로운 접착제를 개발하는데 성공했다. 이번에 개발된 고정장치는 도마뱀붙이처럼 작은 힘으로도 쉽게 떨어지게 되는 동시에 또한 강한 힘을 가해도 떨어지지 않는 접착력을 가지고 있다. 연구진은 일정한 패턴 위에 동적인 박막 접착력을 가진 준안정 상태의 부착물질을 개발했다. 이번 연구는 저널 Physical Review E에 "Metastable states and activated dynamics in thin-film adhesion to patterned surfaces"라는 제목으로 소개되었다. 이러한 접착 현상은 여러 분야에 활용될 수 있다. 그래핀은 탄소 원자가 단일 원자층을 이루고 있는 신소재이다. 이러한 원자층은 기판 위에서 쉽게 분리될 수 있다. 

스웨덴 린셰핑대학(Linköping University) 연구진은 도마뱀붙이의 발의 부착 특성의 재료과학적인 측면과 기계적인 측면에 대한 연구를 진행했다. 도마뱀붙이의 발에는 5개의 발가락이 있다. 모든 발가락은 가로 방향의 주름을 가지고 잇다. 주사현미경사진은 이러한 주름이 작은 머리카락과 같은 뻣뻣한 털로 이루어졌다는 것을 보여준다. 각각의 털에는 얇은 박막이 붙어있어 마치 작은 주걱과 같은 모양을 이룬다. 이러한 주걱모양은 약 10나노미터의 두께를 이루며 기판에 부착되는 데 도움이 된다. 

나노수준에서 물리적인 특성은 조금씩 달라진다. 분자의 움직임은 거시세계에서는 거의 무시할 정도이지만 나노세계에서는 이러한 분자의 움직임을 무시할 수 없다. 연구진은 분자의 계속적인 움직임을 연구했다. 또한 이러한 주걱 모양의 패턴의 접착 효과를 연구했다. 

연구진은 균일하지 않은 표면에서 박막의 접착 특성을 계산하였다. 박막은 균일하지 않은 표면에서는 표면의 가장 높은 부분과 접촉하였다. 연구진은 이러한 접착 특성을 원자들과 분자의 반데르발스 힘으로 계산하는데 성공했다. 연구진은 이를 통해서 거리에 대한 부착 특성과 표면의 특성에 따른 부착 특성을 계산하였다. 

이번 연구는 부착력이 박막이 여러 높은 부분과 접촉하는 것보다 단일의 높은 부분과 가까이 있을 때 가장 강해진다는 것을 보여주고 있다. 연구진은 박막이 분리될 때 부분별로 진행된다는 것을 확인했다. 이러한 것은 표면의 접촉과 진동으로 인한 움직임 모두와 관련이 있다. 이는 미세한 움직임이지만 이러한 움직임에는 동조현상이 나타나며 표면은 결국 접착 특성을 잃게 된다. 

연구진은 박막을 기판 위에 간단하게 분리할 수 있으며, 여기에는 큰 힘이 필요치 않다고 설명하고 있다. 박막의 일부분은 기판 위에 진동하는 체 남아있으며 이러한 부분을 더 세게 당기면 더 빨리 분리된다고 설명했다. 또한 박막을 분리하는 데 소요되는 시간은 기판의 구조와 관련이 있으며 박막의 강성도와도 관련이 있다고 연구진은 설명했다. 

그림. 스웨덴 연구진은 불균일 표면과 접촉하는 박막의 특성에 대한 새로운 연구결과를 발표했다. 

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2014-07-16