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물과 알코올의 만남 '와인의 눈물' 수치화 성공

KAIST 김형수 교수팀 "알코올로 계면활성제 대체 가능"

(대전=연합뉴스) 박주영 기자 = 우리가 사용하는 수많은 종류의 액체들은 대부분 두 가지 이상의 액체가 혼합된 상태로 존재한다.

화장품, 의약품, 방향제 등 산업 전반에서 물과 기름 등이 섞여 사용되고 있지만, 액체의 경계면에서 나타나는 물리적 현상에 대해서는 연구가 거의 이뤄지지 않았다.

1959년 스턴링과 스크리븐이 표면장력이 서로 다른 두 액체가 섞이면서 나타나는 '마랑고니 효과'를 설명하기 위한 수치 모델을 제시했으나, 정량화한 이론은 찾기 어려웠다.

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 김형수 교수 연구팀은 알코올과 물이 만날 때 생기는 마랑고니 효과를 정량화하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

알코올의 종류에 따른 유동 비교 [KAIST 제공=연합뉴스]
알코올의 종류에 따른 유동 비교 [KAIST 제공=연합뉴스]

'와인의 눈물'로 잘 알려진 마랑고니 효과는 와인잔을 둥글게 돌리면 와인잔 표면에 물방울이 맺혀 흘러내리는 현상을 말한다.

두 용액 간 표면장력의 차이로 이를 해소하기 위해 물질이 빠르게 확산하면서 발생한다.

알코올보다 3배 정도 물의 표면장력이 커 두 액체가 닿는 순간 계면에서 마랑고니 효과가 발생하며, 알코올이 물 표면을 따라 이동하면서 혼합이 일어나게 된다.

알코올이 마치 계면활성제(계면의 경계를 완화하는 역할을 하는 물질)처럼 물을 분산시키는 역할을 하는 것이다.

이 과정에서 물과 알코올의 경계면에서 일어나는 혼합의 정도를 정량화한 연구는 있지만, 혼합이 일정 시간 계속해서 일어나기 때문에 경계 조건을 정의하기가 어려웠다.

연구팀은 유동장 가시화 기법(입자를 띄워 물이 흐르는 속도를 촬영하는 방식)과 초고속 이미징 장비를 이용, 물과 알코올 사이에 발생하는 물리화학적 현상을 정량화한 이론 모델을 개발했다.

이를 통해 마랑고니 대류 유동 속도의 세기와 알코올 액적이 퍼지는 넓이, 유동장이 발달되는 데 소요되는 시간을 예측하는 데 성공했다.

실제 상황에 적용해 마랑고니 효과 유발 물질(알코올)의 종류와 액적의 크기를 설계할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

마랑고니 유동 모습 [KAIST 제공=연합뉴스]
마랑고니 유동 모습 [KAIST 제공=연합뉴스]

나아가 인체 유해 가능성이 제기된 계면활성제를 알코올이 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

김 교수는 "약물전달을 위해 사용하는 계면활성제가 체내에 축적되면 천식 환자에 심장질환을 유발할 수 있다"며 "알코올을 이용해 새로운 약물전달 물질을 개발하는 데 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 미국 프린스턴 대학 하워드 스톤(Howard Stone) 교수와 공동으로 진행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 피직스'(Nature Physics) 지난달 31일 자 온라인 판에 실렸다.

김형수 교수 [KAIST 제공=연합뉴스]
김형수 교수 [KAIST 제공=연합뉴스]

jyoung@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지> 2017/08/17 11:37 송고

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