미세유변학이란?-1

미세 유변학 1부 에서는 다음을 설명드리겠습니다. 

 

미세유변학 개요  


• 복합 유체의 유변학적 특성 분석
• 미세유변학 기술
• 수동적인 프로브 기반 미세유변학과 능동적인 프로브 기반 미세유변학
• 프로브 입자의 거동 측정
• 문헌 조사 

 

 

 

 

 

미세유변학 개요 

 


복합 유체의 유변학적 특성 분석 

  


  유변학이란 응력이 가해졌을 때 물질의 흐름과 변형을 연구하는 학문입니다.  

 

  물질은 거동에 따라 점도로 특성화되고, 무시해도 될 정도의 탄성을 갖는 이상(뉴턴)유체와 탄성 계수로 특성화되고 (실험이 가능한 기간 동안) 흐르지 않는 이상(후크)고체로 구분됩니다. 

 


  이러한 경계에는 점성 반응과 탄성 반응의 혼재 또는 점탄성을 보이는 (그리고 비 뉴턴 전단 속도에 따른 점도를 갖는) 엄청나게 많은 연한 물질 유형들이 존재합니다.  

 

  이러한 물질은 변형이 가해진 기간에 따라 에너지를 저장하거나(탄성 반응) 에너지를 소멸(점성 반응)합니다. 

 

  합성 생체 고분자 또는 단백질 용액, 계면 활성제(다양한 자기 조립상을 갖는) 계와 분산액(콜로이드 및 비 콜로이드 현탁액과 에멀젼)을 포함하는 물질을 “복합 유체”로 간주합니다.  

 

  이러한 복합 유체는 액체를 기반으로 하면서도 구성 분자로서 중합체 분자 또는 분산상 미립자로 형성된 초분자 구조를 포함하고 이러한 미세구조로 인해 점탄성 특성을 나타냅니다.  

 

  이와 같은 유체는 학문적 연구까지 이어지는(복수의 길이 단위와 시간 단위에 대한) 다양하고 풍부한 역학적 특성을 가질 뿐만 아니라, 식품, 개인 용품, 가정용 화학 제품과 산업용 화학 제품을 포함하는 많은 일상적인 제품에서도 흔히 볼 수 있으며 이러한 유체의 유변학적 성질은 공정 특성과 최종 제품의 성능을 결정합니다. 

 

  회전 레오미터와 같은 기존의 유변학적 기법은 일반적으로 밀리리터 단위의 시료량에 대해 제어된 힘을 가하거나 위치를 변화시키기 위해 기계 시스템을 이용하여 물질의 벌크 전단 흐름 또는 변형 특성을 측정합니다.  

 

  가해진 변형에 대한 시료의 반응을 기록함으로써 전단 속도에 따른 점도와 주파수에 따른 선형 점탄성 계수(즉, G´ 탄성(또는 저장) 계수와 G´´ 점성(또는 손실) 계수)를 측정할 수 있습니다.  

 

  최신 회전 레오미터는 수십 년 동안 물질 특성을 측정하는 매우 정교한 장비이지만 특정 종류의 물질에 대한 특성 분석에는 제약을 가진 기계 기술 고유의 한계가 있습니다. 

 


  약 mPas의 저점도 물질(예, 합성 고분자 또는 단백질 용액)을 고려해보면, 거대분자의 완화 시간은 약 수 밀리초이므로 점탄성 반응을 특성 분석하기 위해서는 고주파수가 필요합니다. 

 

  진동 측정이 분자 완화 시간과 관련된 프로브 기간에 필요한 주파수의 자릿수보다 적은 약 100rads-1에서부터 장비 관성에 의해 영향을 받게 되는 회전 레오미터를 이용해서는 이와 같은 물질의 역학적 특성에 접근하는 것이 불가능합니다.  

 

  많은 복합 유체에 전개되어 있는 상대적으로 약한 탄성 계수를 갖고 변형에 매우 민감한 구조에는 선형 점탄성 특성 분석을 위해(보통 수 십년 동안 토크 시험에 최적화되어 있는 회전 레오미터에서는 최저 토크 범위의 극히 일부만이 가능한) 매우 낮은 응력이 필요합니다. 

 


  이제는 예를 들어, 초기 단계 단백질 기반의 고가 제제에서 일어날 수 있는 마이크로리터 단위까지의 시료량 제한이 요구되며 매우 낮은 토크와 변형 제어에 대한 수요가 전통적인 기계식 레오미터 시스템의 기능을 넘어섰습니다. 

 


미세유변학 기술 

 


  미세유변학이라는 용어는 시료에 넣은 콜로이드 프로브(또는 추적자) 입자의 운동을 측정하고 분석함으로써 연한 물질의 유변학적인 국부적 특성과 벌크 특성을 찾아내는 다양한 기술을 설명하는 데 사용됩니다. 미세유변학(Microrheology)이란 용어에서 ‘미세(micro)’란 (일반적으로) 마이크로 단위의 역학적 특성을 조사하는 데 사용되는 프로브 입자가 1마이크로미터 미만의 크기를 갖는 것과 관련되며 이러한 기술을 통해 접근할 수 있는 마이크로리터 단위의 시료량과 관련되어 있기도 합니다. 후자의 측면에서, 미세유변학이란 용어는 또한 유변학적 특성을 찾기 위해 복합 유체를 1밀리리터 미만의 채널 영역에서 흐름을 제어하고 변형을 가하는 미세유체 기반의 측정과 관련하여 사용할 수 있습니다. 미세유체 기술 연구가 상당히 활발한 마이크로 단위의 유변학적 특성 분석의 또 다른 영역이지만, 본 자료에서는 오직 혼입형 프로브 입자 유형의 미세유변학 기술만을 다루겠습니다.  

 

 

  수동적인 프로브 기반 미세유변학과 능동적인 프로브 기반 미세유변학  

 

혼입형 프로브 기반의 미세유변학 기술로부터 두 가지 종류의 측정법이 정의될 수 있습니다. 

 


• 수동적인 미세유변학  

  열역학적 평형상태, 즉 프로브 입자에 외부 힘이 가해지지 않는 상태의 계에서 열적 변동을 겪는 콜로이드 프로브 입자의 운동으로부터 선형적인 유변학적 성질을 찾습니다. (수동적인 미세유변학은 열 확산 미세유변학이라고도 할 수 있습니다.)  

 

  광범위한 주파수에 대한 정량적인 유변학적 데이터로부터 관계가 도출되며, 일반적으로 다양한 종류의 복합 유체들에 대해 이 관계가 유지되는 것으로 나타났습니다. 

 


• 능동적인 미세유변학  

  측정 범위가 선형 영역에서부터 비선형 영역으로 확장될 수 있는 계의 콜로이드 프로브 입자의 강제 운동으로부터 유변학적 성질이 획득됩니다. 

 

  시료의 미세구조가 갖는 비평형 상태를 이해하고 있어야 프로브 운동과 기본적인 유변학적 성질을 연관지을 수 있기 때문에 비선형 영역으로의 이동은 이론과 데이터 해석에 있어서 해결 과제가 될 수 있다는 것에 주목해야 합니다.  

 

  광학적 힘을 가하기 위한 레이저 핀셋 또는 자석 핀셋을 이용하면 프로브 입자에 외부 구동력을 가할 수 있습니다. 

 


  복수의 입자(두 입자의 상관성)를 이용하면 능동적인 미세유변학 기술을 확장할 수 있습니다. 

 


  일반적으로, 수동적인 기술은 주로 점성 계수의 값이 작은 구조가 약한 물질을 측정할 때 이점이 있는 반면, 능동적인 기술은 탄성 특성이 매우 강한 물질을 측정할 때 훨씬 용이합니다.
 

  프로브 입자의 거동 측정 

 


  조사 중인 시료에 혼입된 프로브 입자의 거동을 측정하는 데 사용되는 방법에 기초하여 미세유변학 측정법에 대한 추가의 분류가 행해질 수 있습니다. 

 


     • 광산란 미세유변학은 산란 기법을 이용하여 프로브 입자들의 평균 운동을 측정하는 경우에 사용하는 기술입니다. 동적 광산란(DLS)하나의 산란 조건이 분산된 프로브 입자에 유지되도록 투명하거나 약간 탁한 광학적 특성을 갖는 시료에 적용할 수 있습니다. 다중 산란과 반대로 적용할 수 있는확산 파장 분광법(DWS) 을 이용하여 측정을 불투명 시료까지 확장할 수 있습니다. 

 


     • 입자 추적 미세유변학은 비디오-현미경을 이용하여 각각의 프로브 입자를 추적하고 이어서 이미지 처리 소프트웨어를 이용하여 프로브 입자 추적 결과를 분석합니다. 하나의 프로브 입자만을 이미지 처리하고 추적하는 미세유변학 기술을 이용하면 훨씬 효율적이고 매우 양호한 공간 해상도의 이점을 얻지만 이미지 처리 측면이 사실상 가장 어려운 과제일 수 있습니다.
 

 

문헌 조사
상기 미세유변학에 대한 간략한 개요가 본 자료의 취지에 따른 범위에
적합하며, 활발한 연구 개발 분야에 대해서는 모든 미세유변학 방법에
대한 광범위한 배경지식과 참고 문헌에 대한 정보, 그리고 응용분야에
관한 정보를 제공하는 최신의 논문이 과학 문헌에 출판되었습니다
(1-4). 

 


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