공기 방울 뭉칠 때도 ‘빈익빈 부익부’

공기 방울 뭉칠 때도 ‘빈익빈 부익부’ 원병묵 포스텍 교수팀, ‘연성물질’ 합체 시 위치결정원리 발견 2012년 05월 29일

물과 기름의 경계에서 공기방울이 합쳐지는 모습. 그림에서 보이는 것처럼 공기방울은 크기가 큰 쪽으로 몰리면서 뭉쳐지게 된다. 포스텍 제공 공기 방울이나 물방울이 뭉쳐질 때도 ‘빈익빈 부익부(貧益貧 富益富)’ 현상이 나타난다는 재미있는 연구결과가 나왔다. 빈익빈 부익부는 가난한 사람은 계속 가난하고, 부자는 계속 부자가 되는 사회 현상을 말한다. 포스텍은 신소재공학과 원병묵 연구교수와 제정호 교수는 크기가 서로 다른 공기 방울과 물방울이 합쳐지는 모습을 관찰해 ‘연성물질(soft matter)’이 합쳐질 때 위치가 결정되는 원리를 알아냈다고 29일 밝혔다. 연성물질은 액체와 고체 사이에서 쉽게 구부러지거나 변형이 가능한 물질을 말한다. 주로 물방울이나 공기 방울, 액정, 고분자, 생체재료 등이 여기에 포함된다. 물리학계에서는 두 개의 물방울이 하나가 되는 현상처럼 두 물질이 하나로 뭉쳐지는 현상에 대해 관심이 많았다. 기존에는 물질이 하나가 될 때 접촉면의 크기나 접촉 속도에 집중했지만 원 교수팀은 합쳐진 물질의 이동과 위치에 주목했다. 서로 다른 크기의 두 연성물질이 뭉쳐질 때는 크기가 큰 쪽을 중심으로 작은 쪽이 흡수되는 모습을 보이는 이유를 밝히고 싶었던 것이다. 포스텍 신소재공학과 제정호 교수(왼쪽)와 원병묵 연구교수(오른쪽)의 모습 보통 두 개의 물방울이나 공기 방울이 뭉쳐져서 만들어진 큰 덩어리는 기존 물방울의 중심에 놓인다고 생각하기 쉽다. 하지만 실제로 물방울 두 개가 합쳐지면 크기에 따라 뭉쳐진 덩어리의 위치가 조금씩 달라진다. 연구진은 엑스선현미경과 광학현미경으로 공기 방울과 물방울이 뭉쳐져 만들어진 덩어리의 위치를 정밀하게 측정했다. 원 교수는 “합체된 덩어리는 크기가 큰 공기 방울이나 물방울 쪽에 가깝게 놓이는데, 이는 물질의 표면에너지가 운동에너지로 바뀌어 물질의 이동거리를 결정하기 때문”이라며 “크기가 작은 물방울일수록 전체 크기가 더 많이 달라지기 때문에 표면에너지의 변화가 많고, 운동에너지도 커지며, 이동거리도 늘어나는 것”이라고 설명했다. 그는 이어 “연성물질이 뭉쳐지는 현상은 일상생활에서도 볼 수 있지만 특히 마이크로·나노 단위에서 더 많다”며 “이번에 발견한 원리는 기초과학뿐 아니라 마이크로·나노 세계에서 물질의 융합 현상을 이해하고 조절하는 데 활용될 것”이라고 말했다. 물리학 권위지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 온라인판 최신호를 통해 발표된 이번 연구결과는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원을 받아 수행됐다. 박태진 기자 tmt1984@donga.com