과일의 소수성 표피는 탈수를 방지하고 환경적 스트레스로부터 보호하는 데 핵심적인 역할을 한다. 이러한 자연 구조에서 영감을 얻어, 소수성 캡슐화는 하이드로겔의 기능성과 장기적 안정성을 보존하기 위해 널리 사용되고 있다. 그러나 소수성 쉘과 하이드로겔 사이의 계면에서의 불안정성은 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 액체 마블의 개념, 즉 액체 방울이 소수성 입자로 덮이는 구조를 이용하여 서로 양립하기 어려운 계면을 안정화하는 하이드로겔 캡슐화 전략을 제시한다. 먼저 하이드로겔 표면에 소수성 입자와의 계면 브리지를 통해 균일한 비극성 액체 층을 형성한다. 이어서 이 액체 층 위에 2차 소수성 입자 층을 증착하여 누출을 방지함으로써, 다층 마블(MLM) 구조를 얻는다. 이러한 MLM 캡슐화는 다양한 하이드로겔, 액체 및 구조적 구성에 대해 매우 다용도로 적용 가능하다. MLM 캡슐화는 다양한 응용 분야에서 하이드로겔의 성능과 기능을 유지함으로써, 기존의 계면 불안정성 문제를 극복하기 위한 보편적이고 견고한 해결책을 제공한다.

기판 위에 얇은 액체 막을 코팅하는 전략은 모세관 힘을 통해 강한 입자 부착을 가능하게 한다. 그러나 액체 막의 실제 활용성은 플라토-레이일리(Plateau-Rayleigh) 불안정성, 계면 탈습윤(interfacial dewetting), 배액(drainage)을 포함한 내재적 유체 불안정성에 의해 제한된다. 여기서는 점탄성 네트워크를 유지하여 구조적 건전성을 보장하는 동시에, 점성 및 모세관에 의해 구동되는 입자 부착을 가능하게 하는 동적 가교 접착 필름을 제시한다. 점탄성 접착제로서 이미인(imine) 가교 네트워크를 갖는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)을 적용한다. 탄성의 특성은 안정적이고 두꺼운 막의 형성을 가능하게 하지만, 동시에 충분히 점성이 있어 입자 접촉 시 맨( meniscus )을 형성할 수 있다. 이는 마이크로뉴턴(micro-Newton) 규모의 강한 모세관 힘을 발생시킨다. 통상적으로 나노뉴턴(nano-Newton) 규모의 반데르발스(van der Waals) 부착에 의존하는 공기 필터에 적용하면, 동적으로 가교된 접착제는 여과 성능을 향상시키고 입자 재비산(particle resuspension)을 억제한다. 표면에 입자를 단순히 유지하는 것을 넘어, 동적 이미인 결합을 가진 접착층은 입자를 매트릭스로 능동적으로 흡수하여 이후 지속적인 여과를 위한 새로운 점착성 표면을 노출시키고, 여과를 통해 압력 강하(pressure drop)가 증가하는 기간을 연장한다. 따라서 더 효과적인 여과가 이루어지더라도 기존의 필터에 비해 필터의 작동 수명이 연장된다. 안정적인 동적 결합 접착층이 보이는 이러한 독특한 입자 포획 특성은 뛰어난 여과 성능을 나타낼 뿐 아니라, 공기 정화 기술의 새로운 패러다임을 제안한다.

물방울 조작은 미세유체역학 및 마이크로리액터와 같은 과학 연구와 응용에서 중요한 역할을 한다. 다양한 구동 동인 중, 빛 유도 열모세관 대류(light-induced thermocapillary convection)는 액체 물방울을 추진하기 위한 유망한 후보이다. 지금까지는 빛을 열로 전환하는 광열적 가광제(photothermal additives)가 물방울 조작의 필수 구성요소로 사용되어 왔다. 그러나 가광제 기반 물방울 조작은 비효율적인 열전달에 의존하며, 제한된 표면 및/또는 물방울에만 적용될 수 있다. 본 연구에서는 중적외선(mid-infrared, MIR) 광 조사에 의해 직접 구동되는, 물방울을 조작하는 새로운 방법을 제시한다. 물과 알코올과 같은 액체는 MIR 빛에 대해 높은 흡수 계수를 보이며, 이를 열로 효율적으로 전환한다. 이러한 현상을 활용하여 MIR 레이저를 적용함으로써 열모세관 대류를 구현한다. 물방울의 외부 표면에 있는 액체 분자들이 MIR 레이저에 의해 연료를 공급받아 자발적으로 열을 생성할 수 있으므로, 수 밀리초(ms) 내에 강력한 열모세관 대류가 형성될 수 있다. 이 단순하면서도 효과적인 열모세관 대류는 고효율적이며 제어 가능하고 정밀한 물방울 조작을 가능하게 한다. 추가적인 가광제 및/또는 복잡한 기판이 필요하지 않아, 대부분의 종류의 액체 물방울과 액체 발수성 표면에 대해 방법의 범용성이 확보된다. 또한 이 방법은 가광제를 제거하기 위한 정제 공정을 요구하지 않으므로 마이크로리액터 응용에 매우 유리하다.

향상된 입자 부착은 공기 투과성을 유지하면서 공기 중 부유 미립자의 여과를 증가시켜, 필터의 수명을 연장하고 에너지 절감 효과를 높인다. 또한 포집된 입자의 강한 부착은 고속 공기 흐름 하에서도 효과적인 여과를 가능하게 하며, 입자의 재부유를 억제한다. 이러한 박막 액체 층을 갖는 필터는 미립자 물질 여과 시스템을 혁신하는 새로운 방식을 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

과일의 소수성 표피는 탈수를 방지하고 환경적 스트레스로부터 보호하는 데 핵심적인 역할을 한다. 이러한 자연 구조에서 영감을 얻어, 소수성 캡슐화는 하이드로겔의 기능성과 장기적 안정성을 보존하기 위해 널리 사용되고 있다. 그러나 소수성 쉘과 하이드로겔 사이의 계면에서의 불안정성은 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 액체 마블의 개념, 즉 액체 방울이 소수성 입자로 덮이는 구조를 이용하여 서로 양립하기 어려운 계면을 안정화하는 하이드로겔 캡슐화 전략을 제시한다. 먼저 하이드로겔 표면에 소수성 입자와의 계면 브리지를 통해 균일한 비극성 액체 층을 형성한다. 이어서 이 액체 층 위에 2차 소수성 입자 층을 증착하여 누출을 방지함으로써, 다층 마블(MLM) 구조를 얻는다. 이러한 MLM 캡슐화는 다양한 하이드로겔, 액체 및 구조적 구성에 대해 매우 다용도로 적용 가능하다. MLM 캡슐화는 다양한 응용 분야에서 하이드로겔의 성능과 기능을 유지함으로써, 기존의 계면 불안정성 문제를 극복하기 위한 보편적이고 견고한 해결책을 제공한다.

기판 위에 얇은 액체 막을 코팅하는 전략은 모세관 힘을 통해 강한 입자 부착을 가능하게 한다. 그러나 액체 막의 실제 활용성은 플라토-레이일리(Plateau-Rayleigh) 불안정성, 계면 탈습윤(interfacial dewetting), 배액(drainage)을 포함한 내재적 유체 불안정성에 의해 제한된다. 여기서는 점탄성 네트워크를 유지하여 구조적 건전성을 보장하는 동시에, 점성 및 모세관에 의해 구동되는 입자 부착을 가능하게 하는 동적 가교 접착 필름을 제시한다. 점탄성 접착제로서 이미인(imine) 가교 네트워크를 갖는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)을 적용한다. 탄성의 특성은 안정적이고 두꺼운 막의 형성을 가능하게 하지만, 동시에 충분히 점성이 있어 입자 접촉 시 맨( meniscus )을 형성할 수 있다. 이는 마이크로뉴턴(micro-Newton) 규모의 강한 모세관 힘을 발생시킨다. 통상적으로 나노뉴턴(nano-Newton) 규모의 반데르발스(van der Waals) 부착에 의존하는 공기 필터에 적용하면, 동적으로 가교된 접착제는 여과 성능을 향상시키고 입자 재비산(particle resuspension)을 억제한다. 표면에 입자를 단순히 유지하는 것을 넘어, 동적 이미인 결합을 가진 접착층은 입자를 매트릭스로 능동적으로 흡수하여 이후 지속적인 여과를 위한 새로운 점착성 표면을 노출시키고, 여과를 통해 압력 강하(pressure drop)가 증가하는 기간을 연장한다. 따라서 더 효과적인 여과가 이루어지더라도 기존의 필터에 비해 필터의 작동 수명이 연장된다. 안정적인 동적 결합 접착층이 보이는 이러한 독특한 입자 포획 특성은 뛰어난 여과 성능을 나타낼 뿐 아니라, 공기 정화 기술의 새로운 패러다임을 제안한다.

물방울 조작은 미세유체역학 및 마이크로리액터와 같은 과학 연구와 응용에서 중요한 역할을 한다. 다양한 구동 동인 중, 빛 유도 열모세관 대류(light-induced thermocapillary convection)는 액체 물방울을 추진하기 위한 유망한 후보이다. 지금까지는 빛을 열로 전환하는 광열적 가광제(photothermal additives)가 물방울 조작의 필수 구성요소로 사용되어 왔다. 그러나 가광제 기반 물방울 조작은 비효율적인 열전달에 의존하며, 제한된 표면 및/또는 물방울에만 적용될 수 있다. 본 연구에서는 중적외선(mid-infrared, MIR) 광 조사에 의해 직접 구동되는, 물방울을 조작하는 새로운 방법을 제시한다. 물과 알코올과 같은 액체는 MIR 빛에 대해 높은 흡수 계수를 보이며, 이를 열로 효율적으로 전환한다. 이러한 현상을 활용하여 MIR 레이저를 적용함으로써 열모세관 대류를 구현한다. 물방울의 외부 표면에 있는 액체 분자들이 MIR 레이저에 의해 연료를 공급받아 자발적으로 열을 생성할 수 있으므로, 수 밀리초(ms) 내에 강력한 열모세관 대류가 형성될 수 있다. 이 단순하면서도 효과적인 열모세관 대류는 고효율적이며 제어 가능하고 정밀한 물방울 조작을 가능하게 한다. 추가적인 가광제 및/또는 복잡한 기판이 필요하지 않아, 대부분의 종류의 액체 물방울과 액체 발수성 표면에 대해 방법의 범용성이 확보된다. 또한 이 방법은 가광제를 제거하기 위한 정제 공정을 요구하지 않으므로 마이크로리액터 응용에 매우 유리하다.

향상된 입자 부착은 공기 투과성을 유지하면서 공기 중 부유 미립자의 여과를 증가시켜, 필터의 수명을 연장하고 에너지 절감 효과를 높인다. 또한 포집된 입자의 강한 부착은 고속 공기 흐름 하에서도 효과적인 여과를 가능하게 하며, 입자의 재부유를 억제한다. 이러한 박막 액체 층을 갖는 필터는 미립자 물질 여과 시스템을 혁신하는 새로운 방식을 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

표면 전단 유동인 마랑고니 유동(Marangoni flow)은 고체 기판 위에서 액적의 거동을 제어할 때 추진을 위한 유망한 방법이다. 그러나 액적 조작을 위해 기판을 가열하여 유도되는 마랑고니 유동의 적용 가능성은 운동 제어의 정밀도가 낮고 기판의 종류에 대한 범위가 좁다는 점으로 인해 제한된다. 본 연구에서는 광열적으로 활성화된 액적(photothermally active droplets)을 이용하는 비접촉식 광구동(빛 기반) 액적 조작 방법을 새롭게 제안한다. 마랑고니 유동은 근적외선(NIR) 조사로 인한 국소 광열 가열을 통해 유도되며, 이는 액적을 구동하는 내부 유동을 발생시킨다. 광열적으로 활성화된 액적은 NIR 빛에서 벗어나 미끄러지며, 조사의 위치를 원격으로 변경함으로써 운동 방향을 정밀하게 제어할 수 있다. 또한, 액적에 서로 잘 섞이는(miscible) 액체를 첨가하면 운동 방향이 반대로 전환될 수 있음을 실증하였다. 더 나아가, 저자들은 통상적인 액체 발수 표면(conventional liquid repellent surfaces) 위의 구형 액적이 미끄러짐이 아니라 굴림(rolling) 메커니즘을 통해 이동함을 보여주었다. 본 액적 조작 방법은 고체 표면에서 액적을 운반하기 위한 일반적인 방법을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

글로벌 환경 문제는 고분자 코팅에서 독성 및 휘발성 유기용매의 사용을 줄이기 위한 노력을 촉진하고 있다. 기존의 방빙(anti-icing) 고분자는 대개 소수성인 관계로, 공정(가공)을 위해 이러한 용매가 필요하며 이는 지속가능성 목표와 충돌한다. 물과 에탄올은 친환경적 대안이지만, 일반적으로 친수성 고분자에 한정되어 습윤 환경에서의 내구성이 부족하다. 이러한 한계를 극복하기 위해 극성 전환이 가능한 스티렌–말레산 무수물(styrene–maleic anhydride, SMA) 공중합체를 개발하였다. MA의 염기 유도 고리 개환은 폴리머를 친수성으로 만들어 수계 코팅 제형에서 물에 대한 용해성을 부여하는 한편, 후속 열처리는 고리를 다시 폐환시켜 소수성을 회복함으로써 견고한 성능을 보장한다. MA의 0에 가까운 반응성 비율로 인해, 등몰의 SMA는 교대(alternating) 구조를 형성하며 213 °C의 높은 Tg를 나타내는 반면, 스티렌이 풍부한 투입물은 정제 후에도 감소하였으나 여전히 높은 Tg 값(205–189 °C)을 갖는 그라디언트와 유사한 구조를 제공한다. 수동적이고 친환경적이며 다기능성을 갖는 방빙 소재를 구현하기 위해 그래핀 산화물(graphene oxide)을 SMA 필름에 도입하였고, 이는 우수한 수중 분산성을 활용한 것이다. 수계 주조 후 열처리를 거친 결과, 생성된 소수성 복합 필름은 뛰어난 열적 및 기계적 특성, 낮은 얼음 부착성, 그리고 광열(photothermal) 기반 제빙 능력을 보여준다. 또한 매트릭스 고분자와 충전재 모두 회수가 가능하여, 재활용 가능하고 지속가능한 방빙 플랫폼을 제공한다.

가교결합, 전단박화(shear-thinning) 특성 및 열반응성 거동을 다룬다. 또한 2020년 이후의 최근 발전 사항, 즉 치료 효능을 증대하기 위한 생체활성 물질의 전략적 도입을 포함한다. 이러한 핵심 기전과 설계 전략을 고찰함으로써, 본 종설은 현대 의학 응용을 위한 분무형 하이드로겔의 공학적 설계에 관한 종합적인 관점을 제공한다.

금속 나노도트 배열의 정밀한 제어는 플라즈모닉, 촉매 및 광자기적(photonic) 특성을 최적화하는 데 필수적이다. 균일한 나노도트를 제조하기 위한 방법은 일반적으로 리소그래피 또는 층층이 조립(layer-by-layer assembly)과 같은 복잡한 공정을 필요로 한다. 최근에는 금속 증착을 통한 나노도트 배열 제조(예: 스퍼터링 및 열 증발)가 단순성과 확장성 때문에 주목을 받고 있다. 그러나 증착으로 형성된 구조는 종종 불균일하며, 금속은 공기 중에서 높은 표면에너지를 갖기 때문에 크기 제한의 문제도 겪는다. 본 연구에서는 얇은 오일 층 보조 고체상(固體相) 디웨팅(solid-state dewetting)을 통해 균일한 금속 나노도트 배열을 제조하는 전략을 제안한다. 금속은 얇은 오일 층을 코팅한 유리 기판 위에 스퍼터링으로 증착한 뒤, 디웨팅을 유도하여 나노도트를 형성하는 열처리(열 어닐링)를 수행한다. 오일에 포함된 계면활성제(surfactants)는 금속의 표면에너지를 감소시켜 원치 않는 응집(coalescence)을 억제한다. 또한 생성된 나노도트의 크기와 형상 균일성이 향상되며, 증착 두께 및/또는 오일 층 두께를 조절함으로써 이를 제어할 수 있다. 오일/계면활성제를 이용한 표면 안정화에 기반한 이 단순한 전략은 증착 방법의 한계를 효과적으로 극복한다. 더 나아가 다양한 금속으로 구성된 나노도트 배열, 또는 두 가지 이상의 금속으로 구성된 나노도트 배열도 제조할 수 있어, 나노구조 공학을 위한 다양하고 맞춤형 플랫폼을 제공한다.