네 손에 물 한 방울 안 묻히게 해줄게

연잎에 물을 부으면 방울이 맺혀 굴러떨어진다. 잎에는 물기가 남지 않는다.

접촉각

표면에 놓인 물방울이 표면과 이루는 각을 접촉각이라 한다.

물이 잘 퍼지는 표면에서는 이 각이 작다. 물을 밀어내는 표면에서는 방울이 둥글게 뭉쳐 각이 커진다. 150도를 넘으면 초소수성이라 부른다.

물과 잘 어울리지 않는 물질을 쓰는 것만으로는 이 수치에 도달하기 어렵다. 매끈한 표면에서 얻을 수 있는 접촉각에는 한계가 있다.

구조가 만드는 성질

연잎의 표면을 현미경으로 보면 미세한 돌기가 빽빽하다. 그 돌기 위에는 더 작은 왁스 결정이 있다. 두 단계의 구조다.

물방울은 돌기 끝에만 닿는다. 돌기 사이에는 공기가 갇힌다. 물방울이 실제로 접촉하는 면적은 전체의 몇 퍼센트에 지나지 않는다.

닿는 면적이 적으니 붙잡는 힘도 적다. 방울은 조금만 기울여도 굴러떨어진다. 구르면서 표면의 먼지를 함께 가져간다. 스스로 깨끗해지는 이 성질을 연잎 효과라 한다.

물을 붙잡는 표면

반대 성질을 가진 표면도 있다.

장미 꽃잎도 물방울이 둥글게 맺히지만, 뒤집어도 떨어지지 않는다. 돌기의 간격이 넓어 물이 사이로 들어가기 때문이다. 접촉각은 크지만 접촉 면적도 커서 잘 붙는다.

같은 초소수성이라도 물이 구조 사이에 들어가느냐 아니냐에 따라 거동이 완전히 달라진다.

물을 모으는 생물

안개에서 물을 모으는 곤충이 알려져 있다. 등껍질에 물이 잘 붙는 부분과 밀어내는 부분이 섞여 있어, 붙는 부분에 수증기가 맺히고 방울이 커지면 밀어내는 부분을 따라 흘러내린다.

이 원리를 본떠 안개에서 물을 모으는 그물이 설계됐다. 건조 지역에서 시험된 사례가 있다.

거미줄이 이슬을 맺는 구조, 선인장 가시가 물을 밑동으로 흘려보내는 구조도 비슷한 맥락에서 연구된다.

쓰임과 한계

물을 밀어내는 표면은 여러 곳에 쓰일 수 있다. 김이 서리지 않는 유리, 얼음이 잘 붙지 않는 항공기 표면, 물기가 남지 않는 옷감이 후보로 거론된다.

걸림돌은 내구성이다. 성질을 만들어내는 것은 미세 구조인데, 이 구조는 마찰에 약하다. 몇 번 문지르면 돌기가 뭉개지고 효과가 사라진다.

기름때에도 약하다. 기름은 물과 달리 구조 사이로 스며들어 공기층을 밀어낸다. 한번 젖으면 되돌리기 어렵다.

구조 대신 액체를 머금은 층을 쓰는 방식이 대안으로 연구된다. 미끄러운 액체가 표면을 덮고 있으면 물과 기름이 모두 흘러내린다. 다만 액체가 조금씩 소실된다는 문제가 남아 있다.