연잎효과는 연꽃의 잎에서 규명된 현상으로 표피세포에서 기원하는 미세구조에 의해 물방울이 잎 표면이나 내부조직에 침투하지 않고 경사면으로 흘러내리며 표면 위 먼지나 이물질을 함께 떨어지게 한다. 잎 표면을 항상 깨끗한 상태로 유지하는 자기정화 능력인 연잎효과에 대해서는 여러 영역에서 연구되고 다방면으로 응용되고 있으나 구조적인 측면에서 연잎을 생장단계별 또는 표피조직 부위별로 비교 조사한 연구는 거의 없는 실정이다. 이에 본 연구에서는 연잎과 줄기를 대상으로 생장단계별, 부위별 표피조직의 미세 표면구조를 연구하여 연잎효과 표면 특성을 조사하였다. 본 연구에서 조사된 연잎효과는 미세돌기와 왁스결정체가 발달한 잎의 상피조직에서만 나타나고, 왁스결정체만 발달한 하피 및 줄기의 표피조직에서는 확인되지 않았다. 이는 미세돌기의 발달이 연잎효과를 나타내는데 가장 중요한 요인이고, 왁스결정체가 돌기표면 위에 축적되면 연잎효과는 더 증가하는 것으로 밝혀졌다.
연잎효과는 연꽃의 잎에서 규명된 현상으로 표피세포에서 기원하는 미세구조에 의해 물방울이 잎 표면이나 내부조직에 침투하지 않고 경사면으로 흘러내리며 표면 위 먼지나 이물질을 함께 떨어지게 한다. 잎 표면을 항상 깨끗한 상태로 유지하는 자기정화 능력인 연잎효과에 대해서는 여러 영역에서 연구되고 다방면으로 응용되고 있으나 구조적인 측면에서 연잎을 생장단계별 또는 표피조직 부위별로 비교 조사한 연구는 거의 없는 실정이다. 이에 본 연구에서는 연잎과 줄기를 대상으로 생장단계별, 부위별 표피조직의 미세 표면구조를 연구하여 연잎효과 표면 특성을 조사하였다. 본 연구에서 조사된 연잎효과는 미세돌기와 왁스결정체가 발달한 잎의 상피조직에서만 나타나고, 왁스결정체만 발달한 하피 및 줄기의 표피조직에서는 확인되지 않았다. 이는 미세돌기의 발달이 연잎효과를 나타내는데 가장 중요한 요인이고, 왁스결정체가 돌기표면 위에 축적되면 연잎효과는 더 증가하는 것으로 밝혀졌다.
The cell surface sculpture of the plant epidermis has received great interest recently. It has also been an active area of research, as the biological microstructures of the surface, such as papillae and waxes, exhibit several unique properties, including self-cleaning character; namely the "Lotus e...
The cell surface sculpture of the plant epidermis has received great interest recently. It has also been an active area of research, as the biological microstructures of the surface, such as papillae and waxes, exhibit several unique properties, including self-cleaning character; namely the "Lotus effect" first described in the leaves of the lotus, Nelumbo nucifera. The Lotus effect is the phenomenon in which the super-hydrophobic and water-repellent nature of lotus leaves allow water drops to run off easily on the surface in a rolling and sliding motion thereby facilitating the removal of dirt particles. It is well-known that surface roughness on the micro- and nanoscale is a primary characteristic allowing for the Lotus effect. This effect is common among plants and is of great technological importance, since it can be applied industrially in numerous fields. In the present study, Nelumbo nucifera leaf and stem epidermal surfaces have been examined with a focus on the features of papillae and wax crystalloids. Both young and mature Nelumbo nucifera leaf epidermis demonstrated the Lotus effect on their entire epidermal surface. The central area of the upper epidermis, in particular, formed extremely papillose surfaces, with an additional wax layer, enabling greater water repellency. Despite the presence of wax crystalloids, epidermal surfaces of the lower leaf and stem lacking papillae, were much more easily wetted.
The cell surface sculpture of the plant epidermis has received great interest recently. It has also been an active area of research, as the biological microstructures of the surface, such as papillae and waxes, exhibit several unique properties, including self-cleaning character; namely the "Lotus effect" first described in the leaves of the lotus, Nelumbo nucifera. The Lotus effect is the phenomenon in which the super-hydrophobic and water-repellent nature of lotus leaves allow water drops to run off easily on the surface in a rolling and sliding motion thereby facilitating the removal of dirt particles. It is well-known that surface roughness on the micro- and nanoscale is a primary characteristic allowing for the Lotus effect. This effect is common among plants and is of great technological importance, since it can be applied industrially in numerous fields. In the present study, Nelumbo nucifera leaf and stem epidermal surfaces have been examined with a focus on the features of papillae and wax crystalloids. Both young and mature Nelumbo nucifera leaf epidermis demonstrated the Lotus effect on their entire epidermal surface. The central area of the upper epidermis, in particular, formed extremely papillose surfaces, with an additional wax layer, enabling greater water repellency. Despite the presence of wax crystalloids, epidermal surfaces of the lower leaf and stem lacking papillae, were much more easily wetted.
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문제 정의
그러나 생물학적인 측면에서 연잎을 생장단계별로 연구하거나 잎 표피조직을 부위별로 비교 조사한 연구는 거의 없는 실정이다. 이에 본 연구에서는 연꽃식물의 잎과 줄기를 대상으로 생장단계별로 나누어 표피조직 표면의 미세구조적 특성과 연잎효과를 비교 연구하고자 하였다.
그러나 기계 건조에서는 수분증발이 빠르게 진행되어 표피의 수축이 심하게 일어나며, 공기건조에 의한 수축은 적게 발생하나 고열과 압력에 취약한 왁스성분으로 인해 전자현미경 연구 시 결정체의 고배율 구조 촬영이 어렵다는 단점을 지닌다. 이에 본 연구에서는 연잎 표피구조에 대한 다각적 측면의 활용을 위해 이 세 가지 방법을 모두 사용하여 그 결과를 비교하였다.
제안 방법
SEM 실험을 위한 조직채취(tissue sampling)에 앞서 자생지에서의 연꽃 식물체 표면의 연잎효과를 조사하였다. 연잎은 어린 잎과 성숙한 잎 상피조직 및 하피조직의 엽신과 중앙 부위에 5 mL 일회용 피펫을 사용하여 물방울을 연속적으로 떨어뜨려 표피조직 표면 위에 잔존하는 상태를 촬영 및 기록하였다.
공기 건조방법은 상온(35℃ 이상)에서 2주일 이상 건조시킨 엽육조직을 2×2 mm2 면적으로 절단한 후 백금 코팅을 하여 Hitachi S-4200 주사전자현미경으로 관찰하였다.
이후 위의 SEM 방법과 동일하게 알루미늄 stub 위에 장착하여 ion sputter에서 20 nm 백금으로 금속피막을 입혔다. 금속피막 처리된 시료는 한국기초과학지원연구원 대구센터 소재 Hitachi S-4200 SEM에서 15 kV로 분석된 후, 촬영된 image data를 image processing하여 비교 연구하였다. 공기 건조방법은 상온(35℃ 이상)에서 2주일 이상 건조시킨 엽육조직을 2×2 mm2 면적으로 절단한 후 백금 코팅을 하여 Hitachi S-4200 주사전자현미경으로 관찰하였다.
기계 내 건조와 자연 공기 건조: 절단되지 않은 연잎 조직을 건조기(drying oven) 내에서 80℃의 조건으로 10일 이상 처리하여 완전히 건조되면 약 2×2 mm2 (가로×세로) 크기로 세절하였다.
연잎은 어린 잎과 성숙한 잎 상피조직 및 하피조직의 엽신과 중앙 부위에 5 mL 일회용 피펫을 사용하여 물방울을 연속적으로 떨어뜨려 표피조직 표면 위에 잔존하는 상태를 촬영 및 기록하였다. 어린 줄기 및 성숙한 줄기의 향축면(adacialsurface) 표피조직 표면에 위와 동일하게 물방울을 떨어뜨려내부에 스며들거나 퍼지는 정도 등의 잔존여부를 비교 조사하였다.
, 2010), 생물학적 연구는 미진한 상태로 남아 있어 본 연구에서는 연잎의 생장단계별, 다양한 부위별 표면구조를 비교하였다. 연구에서 사용된 연잎은 각각 SEM 방법의 아세톤 유기용매 처리, 기계 내 건조, 공기건조를 실시하였다. 일반적인 SEM기법에서의 아세톤 처리는 연잎표피의 왁스층을 용해하여 왁스결정체를 관찰하기 어렵다(Ensikat & Bathlott, 1993; Peacock et al.
SEM 실험을 위한 조직채취(tissue sampling)에 앞서 자생지에서의 연꽃 식물체 표면의 연잎효과를 조사하였다. 연잎은 어린 잎과 성숙한 잎 상피조직 및 하피조직의 엽신과 중앙 부위에 5 mL 일회용 피펫을 사용하여 물방울을 연속적으로 떨어뜨려 표피조직 표면 위에 잔존하는 상태를 촬영 및 기록하였다. 어린 줄기 및 성숙한 줄기의 향축면(adacialsurface) 표피조직 표면에 위와 동일하게 물방울을 떨어뜨려내부에 스며들거나 퍼지는 정도 등의 잔존여부를 비교 조사하였다.
이들 연잎효과에 대한 표면구조 연구는 물리화학적, 공학적 영역에서 활발히 수행되고 있으나(Wagner et al., 2003; Fürstener et al., 2005; Forbes, 2008; Karthick & Maheshwari, 2008; Feng et al., 2009; Shafiel & Alpas, 2009; Cha et al., 2010; Shen et al., 2010), 생물학적 연구는 미진한 상태로 남아 있어 본 연구에서는 연잎의 생장단계별, 다양한 부위별 표면구조를 비교하였다.
또한 잎에서와 같이 물방울이 굴러 떨어지지는 않고, 일부 물방울 흔적이 줄기 표면에 계속 잔류하였다. 이들 조직을 자연적 공기건조, 기계 내 건조, SEM 실험법으로 아세톤 유기용매처리한 뒤 비교 연구한 어린 잎 및 성숙한 잎, 그리고 줄기 표피조직에서의 표피세포, 표면 미세구조들의 구조적 특성은 다음과 같다. 잎은 엽신 중앙에 발달하는 원형의 두꺼운 회백색 조직을 중앙 부위로 하고, 그 외의 부분을 엽신으로 구분하였다.
시료를 2% aqueous OsO4 (osmium tetroxide) 용액을 사용하여 4℃에서 24시간 후고정하여 동일 buffer로 15분에 걸쳐 3회씩 세척하였다. 이후 graded acetone series (10~100%)로15분씩 3회 탈수하였다. 시료는 liquid CO에 의해 EmitechK-850에 의한 임계점 건조(critical point drying, CPD) 과정을 거쳐 건조시킨 뒤 알루미늄 stub 위에 장착하여 EmitechK-550X ion sputter에서 20 nm 백금의 금속피막을 입혔다.
시료는 liquid CO에 의해 EmitechK-850에 의한 임계점 건조(critical point drying, CPD) 과정을 거쳐 건조시킨 뒤 알루미늄 stub 위에 장착하여 EmitechK-550X ion sputter에서 20 nm 백금의 금속피막을 입혔다. 이후 시료는 한국기초과학지원연구원 대구센터 소재 Hitachi S-4200 SEM에서 15 kV로 연구하였고, 촬영된 image data는 image processing되어 비교 분석되었다.
다양한 크기의 잎은 직경 약 7~9 cm의 어린잎에서부터 50 cm 이상의 성숙한 잎에 이르기까지 생장 단계별로 실험에 사용되었다. 줄기는 직경에 따라 어린 줄기(직경 2~3 mm)와 성숙한 줄기(12~15 mm)로 구분되어 실험되었다.
표피조직 표면에 발달하는 미세돌기들의 분포양상은 각 조직 및 부위별로 5~10장의 SEM negative film을 image processing하여 1 mm2 단위면적당 형성된 돌기 개수로 환산하여 산출하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 연꽃(Nelumbo nucifera)은 2010~2011년 대구광역시 및 경상북도 경산시 인근 지역의 연꽃자생지에서 채취되어 실험실로 옮겨진 직후 아래의 방법으로 처리되었다. 다양한 크기의 잎은 직경 약 7~9 cm의 어린잎에서부터 50 cm 이상의 성숙한 잎에 이르기까지 생장 단계별로 실험에 사용되었다. 줄기는 직경에 따라 어린 줄기(직경 2~3 mm)와 성숙한 줄기(12~15 mm)로 구분되어 실험되었다.
본 연구에서 사용된 연꽃(Nelumbo nucifera)은 2010~2011년 대구광역시 및 경상북도 경산시 인근 지역의 연꽃자생지에서 채취되어 실험실로 옮겨진 직후 아래의 방법으로 처리되었다. 다양한 크기의 잎은 직경 약 7~9 cm의 어린잎에서부터 50 cm 이상의 성숙한 잎에 이르기까지 생장 단계별로 실험에 사용되었다.
이후 graded acetone series (10~100%)로15분씩 3회 탈수하였다. 시료는 liquid CO에 의해 EmitechK-850에 의한 임계점 건조(critical point drying, CPD) 과정을 거쳐 건조시킨 뒤 알루미늄 stub 위에 장착하여 EmitechK-550X ion sputter에서 20 nm 백금의 금속피막을 입혔다. 이후 시료는 한국기초과학지원연구원 대구센터 소재 Hitachi S-4200 SEM에서 15 kV로 연구하였고, 촬영된 image data는 image processing되어 비교 분석되었다.
성능/효과
생체시료를 위의 세 가지 방식으로 조사한 결과, 성숙한 잎 상피조직의 연잎효과 연구(Barthlott & Neinhuis, 1997)에서 알려진 돌기와 왁스결정체와 기공이 관찰되었다.
1). 어린잎에 떨어뜨린 물방울에서도 성숙한 잎에서와 같이 표피조직 표면에 스며들어가거나 방울로 남지 않고 엽신을 따라 바로 흘러내리는 연잎효과가 확인되었다. 하피조직에서는 어린잎이나 성숙한 잎 어느 경우에도 연잎효과가 나타나지 않았다.
이와 같이 연잎의 모든 표피표면에서 왁스결정체가 분포하였으나 미세돌기는 엽신의 상피와 중앙 부위에만 발달하였다. 연잎효과를 나타내는 표피 위의 비교적 작은 크기의 돌기 즉, 미세돌기는 어린 단계에서부터 생장 중인 잎 표면에서 모두 형성되었고 그 밀도는 평균적으로 어린잎에서 높은 것으로 나타났다. 성숙 잎에서 미세돌기 밀도가 비교적 낮은 것은 어린잎에서 생성된 미세돌기가 생장함에 따라 상대적으로 그 수가 크게 증가하지 않기 때문으로 미세 돌기의 형성은 미성숙 단계에서 활발하게 이루어지는 것으로 추정된다.
후속연구
성숙 잎에서 미세돌기 밀도가 비교적 낮은 것은 어린잎에서 생성된 미세돌기가 생장함에 따라 상대적으로 그 수가 크게 증가하지 않기 때문으로 미세 돌기의 형성은 미성숙 단계에서 활발하게 이루어지는 것으로 추정된다. 본 연구에서 얻은 이러한 결과는 이후 생체모방(Biomimetics) 응용에 있어서 연잎효과를 나타내는 표피조직의 단계별 활용에 관한 연구에 있어 유용한 기초자료가 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
표피조직 위에 형성되는 왁스의 발달 여부에 영향을 주는 요소는 무엇인가?
표피조직 위에 형성되는 왁스의 발달 여부는 식물체가 서식하는 환경에 많은 영향을 받는데, 건조한 지역에 서식하는 경우 특이한 형태의 왁스가 두꺼운 층으로 발달하여 수분증발을 더욱 효율적으로 방지할 수 있다(Lee, 2004; Koch etal., 2009).
연꽃의 특징은 무엇인가?
연꽃은 다년초로서 진흙이나 습지와 같이 잎이 오염되기 쉬운 환경에서 자라나, 넓은 잎 표면이 항상 깨끗한 상태를 유지하고 있다. 연잎 표면에서 나타나는 이러한 자정효과를 연잎효과(Lotus effect)라 하며, 이는 표피조직에 발달하는 미세구조들이 중요한 요소가 된다.
물방울과 표면이 접촉하는 접촉각은 그 크기에 따라 어떻게 분류되는가?
, 2008; Bhushan,2012). 접촉각의 각도가 90o이상은 소수성, 110o이상은 초소수성, 140o이상이 면 초소수성이 나타나며(Neinhuis &Barthlott, 1997; Nun et al., 2002; Kang, 2006), 연잎 표면의 접촉각은 149~160o로 조사된 바 있다(Muller et al., 2007).
참고문헌 (33)
Barthlott W, Neinhuis C: Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta 202 : 1-8, 1997.
Cha T, Yi JW, Lee K, Moon M, Kim H: Super water repellent surface "strictly" mimicking the surface structure of lotus leaf. Kor Soc Mech Engin Spring conference Proc. KSME 09MNO28 : 270-271, 2009.
Cha T, Yi JW, Moon M, Lee KR, Kim H: Nanoscale patterning of microtextured surfaces to control superhydrophobic robustness. Langmuir 26 : 8319-8326, 2010.
Dawood MK, Zheng H, Liew TH: Mimicking both petal and Lotus effects on a single silicon substrate by tuning ther wettability of nanostructured surfaces. Langmuir 27 : 4126-4133, 2011.
Ensikat HJ, Barthlott W: Liquid substitution: a versatile procedure for SEM specimen preparation of biological materials without drying or coating. J Microsc 172 : 195-203, 1993.
Gao L, McCarthy TJ: Teflon is hydrophilic. Comments on definitios of hydrophobic, shear versus tensile hydrophobicity, and wettability characterization. Langmuir 24 : 9183-9188, 2008.
Koch K, Barthlott W: Superhydrophobic and superhydrophilic plant surfaces: an inspiration for biomimetic materials. Phil Trans R Soc A 367 : 1487-1509, 2009.
Peacock J, Rensburg L, Kruger H, Merwe CF: Liquid substitution: an alternative procedure for leaf surface studies with scanning electron microscopy. Scan Microsc 12 : 401-412, 1998.
Shafiei M, Alpas AT: Nanocrystalline nickel films with lotus leaf texture for superhydrophobic and low friction surfaces. Appl Surf Sci 256 : 710-719, 2009.
Wagner P, Furstner R, Barthlott W, Neinhuis C: Quantitative assessment to the structural basis of water repellency in natural and technical surfaces. J Expt Bot 54 : 1295-1303, 2003.
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