연꽃잎 표면에 떨어진 빗방울이 잎에 스며들지 않고 구형의 방울을 형성하며 굴러 떨어져 먼지를 씻어내는 미세 나노 구조와 표면장력 관점의 과학적 원리는 무엇인가요?

Question

연꽃잎 표면에 떨어진 빗방울이 잎에 스며들지 않고 구형의 방울을 형성하며 굴러 떨어져 먼지를 씻어내는 미세 나노 구조와 표면장력 관점의 과학적 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

연잎이 물에 젖지 않고 먼지를 깨끗이 씻어내는 현상은 돌기 형태의 이중 구조와 물의 표면장력이 결합된 초소수성 원리 때문으로, 이를 연잎 효과라고 합니다. 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.

연잎 표면에는 마이크로미터 크기의 미세한 돌기들이 돋아 있고, 그 위에 나노미터 크기의 왁스 결정질 입자들이 다시 촘촘히 덮여 있습니다. 이 촘촘한 돌기들 사이의 틈새에는 공기가 갇혀 있어, 물방울은 잎 표면에 직접 닿지 않고 공기층 위에 떠 있는 상태가 됩니다. 따라서 물 분자끼리 서로 당기는 표면장력이 연잎 표면과 물 사이의 부착력보다 훨씬 강함에 따라 물방울은 표면적을 최소화하기 위해 둥근 구형을 유지합니다. 이 때문에 물방울과 잎 표면이 이루는 접촉각이 매우 높기 때문에 잎을 살짝만 기울여도 물방울이 미끄러지지 않고 또르르 굴러 떨어집니다.

자가 세척 원리는 먼지 입자 역시 연잎의 미세 돌기 위에 떠 있는 불안정한 상태이기 때문에 물방울이 잎 위를 굴러갈 때, 먼지 입자와 물방울 사이의 부착력이 먼지와 잎 표면 사이의 부착력보다 훨씬 강해 굴러가는 물방울이 표면의 먼지들을 흡수하듯 끌고 함께 떨어져 나가게 됩니다.