동아대 연구팀, 130여년 난제 '유체 계면 법칙' 규명

(부산=뉴스1) 윤일지 기자 = 동아대학교는 화학공학과 이헌상 교수 연구팀이 완전 혼합성 유체에서 오랫동안 유지되는 계면의 생성과 지속, 붕괴 메커니즘을 하나의 틀에서 설명하는 '자유에너지 공진화 변분원리'를 도출하고 계면의 수명까지 정량적으로 예측하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

공진화는 자유에너지 지형과 계면 농도장이 어느 한쪽의 변화에 따라 순차적으로 움직이는 것이 아니라 서로 영향을 주고받으며 동시에 변화하는 원리다.

서로 완전히 섞이는 유체가 맞닿으면 일반적으로 빠르게 혼합되지만 실제로는 일정 시간 동안 계면이 유지되는 현상이 나타난다. 이 같은 현상은 생명체 세포와 인체, 산업 화학공정, 해양환경 등 자연과 기술 시스템 전반에서 관찰된다.

하지만 유체들이 접촉한 뒤 즉시 섞이지 않고 계면을 유지하는 구체적인 물리적 원리는 1893년 JD 반 데르 발스의 계면 이론 이후 130여 년간 풀리지 않은 난제로 남아 있었다.

연구팀은 자유에너지 지형과 계면 농도장이 서로 영향을 주며 동시에 변화하는 공진화 원리를 통해 계면 현상을 설명했다. 기존 이론이 자유에너지 지형과 유체의 흐름이 순차적으로 영향을 주고받는 방식이었다면, 연구팀은 두 요소가 하나의 상태를 이루며 함께 변화한다고 봤다.

이를 바탕으로 계면의 생성과 지속, 두꺼워짐, 최종 붕괴에 이르는 전 과정을 하나의 이론적 틀로 연결하고 화학적 성질이 다른 유체에서도 계면의 수명을 정량적으로 예측했다.

이번 연구는 혼화성 유체의 계면을 지배하는 보편적 물리법칙을 이론적으로 제시한 것으로, 소프트매터와 정밀 화학공정의 설계·제어 및 향후 실제 공정 최적화와 산업 기술에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구 결과는 지난 23일 국제학술지 '커뮤니케이셔스 피직스(Communications Physics)'에 게재됐다.

이 교수는 "이번 연구는 특정 현상에 국한된 모델을 넘어 공학 기초이론이 될 수 있는 일반적인 물리 법칙을 변분 제1원리의 형태로 제시했다"며 "향후 실제 공정 최적화와 산업 기술로 확장할 수 있는 학문적 기초가 될 것"이라고 말했다.

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