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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이상준
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 포항공과대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수42
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물 부족 문제는 향후 50년간 인류가 맞이할 10가지 문제들 중 한가지일 만큼 중요한 이슈로 지속 가능한 방법으로 식수를 확보하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이에 따라, 본 연구에서는 자연에서 생명체들이 물을 얻는 원리를 규명하고 이를 모사한 water harvesting 및 management 기술을 개발하여 지속 가능한 방법으로 식수를 확보하고자 하는 것을 motivation으로 삼았다. 이러한 motivation을 토대로 극한 환경에 서식하는 식물인 틸란드시아 (Tillandsia)가 제한된 물 자원을 효과적으로 얻을 수 있는 전략을 다양한 가시화기법을 적용하여 유체역학적인 관점에서 규명하고, 이를 모사한 물 수송 장치의 기계적 특성 및 유동 특성을 분석하였다.
열대 지역에 서식하는 틸란드시아는 물을 흡수할 수 있는 뿌리가 없어 털과 같은 트리콤(trichome)이라는 표면 구조를 통해 대기로부터 물을 얻는다. 최근 트리콤의 높은 흡습성과 내부 삼투막(osmotic membrane)구조 덕분에 물을 빠르게 흡수할 수 있고 증발에 의한 물 손실을 최소화할 수 있다고 밝혀졌지만, 트리콤이 물 수송에 미치는 영향에 대해서는 논의된 바가 거의 없었다. 더욱이, 틸란드시아 관다발 시스템은 수 마이크론 규모의 헛물관(tracheid)으로 구성돼 이론적으로 0.1?10 μm/s의 느린 유속을 가질 것으로 예측됐고, 이에 따라 내부 관다발 계를 통한 물 수송의 효율성에 대해 의문을 품게 되었다.
이러한 이유로, 본 연구에서는 내부 관다발 유동이 아닌 표면 모세관 유동이 틸란드시아의 주된 물 수송 전략일 것이라고 가정하였다. 생체 의학 X선 이미징 및 형광 이미징 기법을 활용하여 틸란드시아 표면에서 물막(water film)이 퍼져나갈 때 탄성모세관력(elastocapillarity)에 의해 트리콤 날개 세포의 재배치(reconfiguration of wing cells)가 연속적으로 발생하는 도미노 효과와 같은 유동 현상을 확인하였다.
이러한 정성적 분석을 토대로, 날개 세포의 형태학적 및 기계적 특성을 분석하고 날개 세포 재배치가 물 수송에 미치는 영향에 대해 정량적으로 분석하였다. 또한, 틸란드시아 종들과 수염 틸란드시아 간 구조적 연관성을 분석하여, 본 연구에서 밝혀낸 유동 특성의 보편성에 대해 논의하였다. 끝으로, 셀룰로오스 재료를 이용해 인공 트리콤 날개 세포 배열을 설계하여 도미노 유동을 모사하고, 기계적 특성 및 유동 특성에 있어서 실제 날개 세포와의 유사성 및 차이점을 분석하였다. 본 연구는 극한 환경에 서식하는 동식물의 물 관리 전략을 탐구하고 지속 가능한 물 관리 기술을 개발하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
이에 따라, 본 연구에서는 자연에서 생명체들이 물을 얻는 원리를 규명하고 이를 모사한 water harvesting 및 management 기술을 개발하여 지속 가능한 방법으로 식수를 확보하고자 하는 것을 motivation으로 삼았다. 이러한 motivation을 토대로 극한 환경에 서식하는 식물인 틸란드시아 (Tillandsia)가 제한된 물 자원을 효과적으로 얻을 수 있는 전략을 다양한 가시화기법을 적용하여 유체역학적인 관점에서 규명하고, 이를 모사한 물 수송 장치의 기계적 특성 및 유동 특성을 분석하였다.
열대 지역에 서식하는 틸란드시아는 물을 흡수할 수 있는 뿌리가 없어 털과 같은 트리콤(trichome)이라는 표면 구조를 통해 대기로부터 물을 얻는다. 최근 트리콤의 높은 흡습성과 내부 삼투막(osmotic membrane)구조 덕분에 물을 빠르게 흡수할 수 있고 증발에 의한 물 손실을 최소화할 수 있다고 밝혀졌지만, 트리콤이 물 수송에 미치는 영향에 대해서는 논의된 바가 거의 없었다. 더욱이, 틸란드시아 관다발 시스템은 수 마이크론 규모의 헛물관(tracheid)으로 구성돼 이론적으로 0.1?10 μm/s의 느린 유속을 가질 것으로 예측됐고, 이에 따라 내부 관다발 계를 통한 물 수송의 효율성에 대해 의문을 품게 되었다.
이러한 이유로, 본 연구에서는 내부 관다발 유동이 아닌 표면 모세관 유동이 틸란드시아의 주된 물 수송 전략일 것이라고 가정하였다. 생체 의학 X선 이미징 및 형광 이미징 기법을 활용하여 틸란드시아 표면에서 물막(water film)이 퍼져나갈 때 탄성모세관력(elastocapillarity)에 의해 트리콤 날개 세포의 재배치(reconfiguration of wing cells)가 연속적으로 발생하는 도미노 효과와 같은 유동 현상을 확인하였다.
이러한 정성적 분석을 토대로, 날개 세포의 형태학적 및 기계적 특성을 분석하고 날개 세포 재배치가 물 수송에 미치는 영향에 대해 정량적으로 분석하였다. 또한, 틸란드시아 종들과 수염 틸란드시아 간 구조적 연관성을 분석하여, 본 연구에서 밝혀낸 유동 특성의 보편성에 대해 논의하였다. 끝으로, 셀룰로오스 재료를 이용해 인공 트리콤 날개 세포 배열을 설계하여 도미노 유동을 모사하고, 기계적 특성 및 유동 특성에 있어서 실제 날개 세포와의 유사성 및 차이점을 분석하였다. 본 연구는 극한 환경에 서식하는 동식물의 물 관리 전략을 탐구하고 지속 가능한 물 관리 기술을 개발하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
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