김형수 교수, 알콜과 물의 혼합에 의한 마랑고니 효과 발생 규명

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김형수 교수와 Princeton University의 Howard Stone 교수 연구팀이 표면장력이 서로 다른 두 액체가 만날 때 일어나는 물리화학적 혼합 현상에 대해 최초로 규명하였습니다. 이번 연구 성과는 국제 저명 과학 학술지인 ‘Nature Physics’ 7월 31일자에 온라인 게재가 되었습니다. 일반적으로 완전히 섞이는 두 액체의 경우, 예를 들어 물과 알콜, 혼합과 퍼짐이 두 액체가 만나는 즉시 일어난다고 알려져 있습니다. 하지만 이번 발표된 연구 결과는 알콜과 물 같이 서로 다른 표면장력의 크기를 가진 액체들이 만나 혼합될 때 그 정도가 시간과 공간에 의존한다는 사실을 실험적으로 관측하였고, 표면장력이 낮은 알코올내의 물질이 물의 계면을 따라 매우 빠른 속도로 전파된다는 사실을 확인하였습니다.
이번 연구는 2012년 김형수 교수가 서울대 김호영 교수팀의 연구원으로 재직 당시 수행했던 연구 주제에서 아이디어를 얻어 이룬 결과입니다. 당시 단순화된 형상내에서 알콜과 물의 혼합이 국부적으로 발생됨을 입자영상유속계(Particle Image Velocimetry) 기법을 이용하여 처음으로 정량화하는 연구를 수행하였고, 이를 바탕으로 이론 모델을 세웠습니다. 이 연구는 2015년 7월 17일에 미국 화학 학회지 ‘Langmuir’ 에 출간되었습니다. 이후, 김형수 교수가 Princeton University에서 박사 후 연구원으로 활동 중 두 가지 다른 유체의 혼합이라는 일반화된 경우에 대해 연구를 독자적으로 시작하였고, 연구의 마무리를 KAIST에서 이루었습니다. 서로 다른 액체가 섞일 때 기존의 연구들은 미세 혼합 구조와 거시적 혼합 구조를 모두 살펴보지 못하였는데, 김 교수는 다양한 유동장 가시화 기법을 이용하여 크고 작은 혼합 구조에 대하여 정량화를 성공적으로 수행하였습니다.

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