October 16,2019

초미세 물방울 증발 첫 촬영

펨토리터 수준, 실제 관측 처음

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국내 연구진이 수백펨토리터(fℓ=1천조분의 1ℓ) 수준의 초미세 물이 증발하는 장면을 처음으로 촬영했다. 그 결과, 초미세 물은 증발속도가 일반 물보다 17% 정도 느리다는 사실을 밝혀냈다.

성균관대 신소재공학부 원병묵 교수팀은 포항가속기연구소의 초고속 엑스선 나노영상 빔라인으로 240펨토리터의 물이 증발하는 영상을 촬영, 증발하는 시간이 일반 물보다 17% 정도 더 걸린다는 사실을 확인했다고 7일 밝혔다.

초미세 물 증발 장면. 마이크로 구형입자와 고체 기판의 표면 사이에 순간적으로 존재하는 초미세 물 모세관 다리의 증발을 초고속 엑스선 나노영상으로 찍은 사진.  ⓒ 성균관대

초미세 물 증발 장면. 마이크로 구형입자와 고체 기판의 표면 사이에 순간적으로 존재하는 초미세 물 모세관 다리의 증발을 초고속 엑스선 나노영상으로 찍은 사진. ⓒ 성균관대

초미세 물은 마이크로미터 또는 나노미터 크기의 작은 틈새를 이어주며 액체에서 기체로 1초 이내에 빠르게 증발한다. 학계에서는 그동안 모의실험을 통해 초미세 물은 증발이 느려질 것으로 예상은 했으나 이를 실제 관측한 것은 이번이 처음이다.

연구팀이 나노영상을 분석한 결과 초미세 물 내부의 압력은 0.6기압으로 대기압(1기압)보다 낮았으며 증발속도는 같은 표면적의 볼록한 일반 물방울보다 17% 정도 느렸다.

연구팀은 초미세 물의 증발속도가 느려진 것은 내무 압력이 대기압보다 낮아 수증기가 공기 속으로 빠져나가기 어려워지기 때문이라며 이 연구 결과는 그동안 수학적으로 계산돼온 초미세 물의 증발을 실제 관측을 통해 확인하고 그 원인을 밝힌 것이라고 설명했다.

초미세 물의 증발 연구는 최근 미세 액체로 유체소자를 만드는 나노유체 분야와 미세 유체 내 화학성분을 분석하는 초미세 화학 분야가 발전하면서 관심이 커지고 있으며 미세 먼지와 초미세 물이 엉겨 있는 물방울 알갱이가 구름으로 형성되는 원리와도 관련이 있다.

원 교수는 “이 연구는 그동안 관찰이 어려웠던 초미세 물의 증발을 실제 확인하고 그 속도를 밝힌 것”이라며 “초미세 물에 대한 이해는 기초과학으로서 물리현상 연구와 함께 자연에서의 구름 형성 원리, 나노입자 프린팅 기술 개발에서의 더 정밀한 제어 등에도 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

한국연구재단 기초연구사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트’(Scientific Reports, 3월 1일자)에 게재됐다.

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