물방울이 만날 때 어떤 일이 발생할까?

한 물방물이 다른 물방울을 감싸며 합쳐져

두 개의 분리된 물방울이 하나로 합쳐지는 순간을 보여주는 놀라운 장면이 동영상으로 찍혔다. 과학자들은 액체 방울이 결합하는 순간을 포착하기 위해 초고속 카메라를 사용해 인간의 눈으로 직접 관찰할 수 없는 유체 역학을 독특하고 자연적으로 엿볼 수 있게 했다.

왼쪽 푸른 물방울이 오른쪽 투명한 물방울에 합쳐지는 장면. ⓒ 리즈 대학

영국 리즈 대학(University of Leeds) 토마스 C 사이크스(Thomas C. Sykes)가 이끄는 연구팀은 초당 2만 5000 프레임까지 촬영 가능한 두 대의 동기화된 고속 카메라가 포함된 실험 장치를 설치했다. 한 카메라는 옆에서 쏘고, 투명 유리 판에 아래에 설치한 다른 카메라는 위를 올려다보게 했다. 두 물방울 중 하나는 가만히 정지된 상태로 있고, 그 물방울에 파란색으로 염색한 다른 물방울이 비집고 들어간다.

카메라를 두 대 설치함으로써 서로 다른 관점에서 본 물방울의 상호작용을 기록할 수 있다.

담요처럼 다른 물방울을 감싸며 합쳐져

“과거에는 두 개의 물방울이 충돌할 경우, 두 물방울이 섞였는지 아니면 한 개의 물방울이 다른 물방울을 감싸는지 궁금해하는 경우가 있었다”고 옥스포드 대학(University of Oxford)의 유체역학 연구원인 알폰소 카스트레욘 피타(Alfonso Castrejón-Pita)는 말한다.

고속 카메라로 찍은 영상을 보면 미끄럼틀에 매달린 펌프에서 나온 푸른색 물방울이 정지된 상태인 투명한 물방울을 마치 담요처럼 둘러싸는 장면이 나타난다. 순간 두 물방울이 합쳐지면서 15밀리초(1000분의 15초) 이내에 표면 제트를 만드는 것을 볼 수 있다.

측면 카메라에서 녹화한 이미지는 파란색 물방울이 투명한 물방울 위에 올라갈 때 표면 장력이 두 물방울의 혼합을 방해하는 것을 보여준다. 이번 연구는 ‘피지컬 리뷰 플루이드'(Physical Review Fluids) 저널에 발표됐다.

물방울이 합쳐지는 순간을 아래에서 찍은 모습 ⓒ 리즈 대학

제1저자인 토마스 사이크스는 “표면 장력이 두 물방울 사이에 충분한 수평적 분리를 제공하므로, 합체된 물방울 위에 강력한 표면 제트가 확인된다”고 말했다.

영상을 처리한 결과를 보면, 이 같은 현상은 충격 관성과 움직이지 않는 접촉선으로 인한 표면 흐름의 결과임을 보여준다. 하지만 두 물방울이 항상 똑같은 방식으로 하나의 물방울이 되는 것은 아니다.

이러한 종류의 사건에서 생성된 표면 제트는 표면 장력의 조작에 따라 강화되거나 심지어 억제될 수 있다. 이 같은 마랑고니 효과(Marangoni effect)는 두 유체 사이의 접점을 따라 발생하는 질량 전달에 영향을 미친다. 표면 장력이 지속되는 동안 물방울은 섞이지 않는다는 사실이 동영상으로 잘 나타난다.

두 개의 물방울이 합쳐지는 순간을 옆에서 찍은 사진 ⓒ 리즈 대학

물방울이 합쳐지는 과정은  아주 아름답다. 그뿐만 아니라 이 과정에서 나타나는 유체역학을 이해하는 것은 3D 프린팅 분야에 새로운 발전을 가져올 수 있다. 입체적인 화학물질이 3D프린터에서 나란히 붙은 상태로 떨어졌을 때 어떻게 반응할지를 아는 데 도움이 될 것으로 예상된다.

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