물방울, 증발만 하는 게 아니었어? 떠난 물 들어온 물 중성자로 구별해 알아낸다

UNIST 정준우 교수팀, 중성자빔 증발·응결 정량 분석 예측 이론 제시

프린트 잉크·페인트 등 액체 증발·개발에 도움 … ‘Matter’에 논문 게재

중수와 경수의 중성자 이미징 비교. 경수의 경우 물방울이 더 어둡게 나온다. [이미지출처=유니스트]

[아시아경제 영남취재본부 김용우 기자] 증발만 하는 게 아니었어? 물방울은 눈에 보이는 게 다가 아니다.

맨눈으로 관측은 안되지만, 컵에 맺힌 물방울 표면에서는 수많은 물 분자가 떠나거나 들어오고 있다.

우리 눈은 증발현상에 따라 물방울이 줄어드는 것만 보지만, 실제는 공기 중에 떠다니는 물 분자가 물방울로 들어오는 응결현상도 동시에 일어나고 있다.

그런데 최근 이 두 현상을 구별해 증발량과 응결량을 알 수 있는 관측법이 나왔다.

용액의 증발과 응결비를 알아낸 이번 연구는 용액 증발 속도나 증발하고 남은 입자의 패턴이 중요한 페인트나 잉크 같은 액체 개발에 큰 도움이 될 전망이다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 이용훈) 물리학과 정준우 교수팀은 중성자빔으로 물방울을 떠나는 물과 공기 중에서 물방울로 유입되는 물을 구별해 관측하는 데 성공했다.

중성자 빔으로 물방울 영상을 찍어 밝기(투과도)를 분석하는 것만으로도 유입된 물 분자와 떠난 물 분자량을 알 수 있는 기법이다.

물방울 밝기와 크기 변화를 통해 증발량과 응결량을 구한 연구 결과. [이미지출처=유니스트]

또 연구팀은 물방울을 비롯한 액체의 증발을 예측할 수 있는 새로운 이론 모델까지 만들었다.

연구진은 ‘중성자 현미경’으로 중수 물방울을 촬영하면 물방울의 밝기가 시간이 지날수록 어둡게 변하는 현상을 이용했다.

중수는 물 분자의 수소가 동위원소인 중수소로 바뀐 물이다. 중성자 현미경의 광원인 중성자 입자는 중수와 경수(일반 물)에서 투과도가 달라, 경수의 이미지가 더 어둡게 나온다.

공기 중 물 분자는 경수 분자이므로 물 분자가 유입될수록 촬영된 물방울의 밝기가 어두워진다. 이 밝기 변화와 물방울이 작아지는 현상을 같이 분석하면 증발량과 응결량 구분이 가능해진다는 것.

연구진은 위와 같은 분석법을 통해 수 밀리미터 크기의 물방울을 30% 정도의 습도를 가지는 공기 중에서 증발시키면, 10분 후에는 대략 20%가 외부에서 유입된 물로 바뀌어 있음을 알 수 있었다.

기존 기술인 적외선 분광학 기술을 이용해서도 같은 결과를 관찰할 수 있었으며, 연구진이 제안한 물방울 증발을 예측하는 이론 모델과도 일치했다.

임재관 연구원(좌측)과 정준우 교수(우측). 모니터에 밝기가 다른 중수와 경수 물방울 사진이 있다. [이미지출처=유니스트]

제1 저자인 인재관 UNIST 물리학과 박사과정 연구원은 “가시광선과 같은 전자기파를 쓰는 일반 현미경과 달리 중성자 현미경은 중성자 물질파를 쓰기 때문에 경수와 중수를 구분할 수 있다는 데서 이 실험의 아이디어를 얻었다”고 설명했다.

물방울의 고해상도 중성자 이미지 처리를 위해서는 스위스 폴 쉬러 연구소(Paul Scheffer Institute)의 중성자 현미경(Neutron Microscope)을 사용했다.

정준우 교수는 “이번 연구 방법은 다양한 혼합물 용액의 증발과 응결 관찰에 유용할 것”이라며 “코팅이나 프린팅과 같이 용액의 증발이 수반되는 다양한 현상을 이해할 수 있어 새로운 잉크나 페인트 개발에도 도움이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 셀(Cell)의 자매지인 ‘맬 터(Matter)’ 5월 12일 자(현지 시각) 온라인판에 게재됐다. 연구수행은 과학기술정보통신부·한국연구재단의 연구과제(기초연구실 지원사업), UNIST 우수연구 아이디어 발굴사업, 기초과학연구원 첨단연성물질 연구단, 스위스 폴 쉬러 연구소의 지원으로 이뤄졌다.