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끓는 액체의 작은 증기 거품이 일반적인 방정식이 예측하는 것과 다르게 행동하는 이유 발견

끓는 거품이 움직이는 형태 분석
새로운 모델은 끓는 액체에서 기포 형성의 편차를 명확하게 한다.

숨겨진 효과:
물리학자들이 끓는 액체의 작은 증기 거품이 일반적인 방정식이 예측하는 것과 다르게 행동하는 이유를 발견했다. 기포와 표면 사이의 계면에서 비선형 효과가 발생해 분리 및 비등 거동에 영향을 미친다. 이 지식은 반응기 및 컴퓨터용 냉각 시스템을 보다 효율적으로 만들 수 있을 뿐만 아니라 전기분해에서 수소 생산을 최적화할 수 있다. 

▲ 끓는 동안 증기 기포 아래에 매우 얇은 액체 필름이 형성됩니다. 기포가 성장하고 다른 표면에서 분리되는 방식을 결정합니다. © HZDR/Blaurock

물이 끓기 시작하면 냄비 바닥에 작은 수증기 거품이 형성되어 먼저 달라붙었다가 떨어져 올라간다. 이러한 기포의 모양과 기판에서 얼마나 빨리 분리되는지는 표면 재료의 구조 및 습윤성을 포함한 여러 요인에 따라 달라진다. 둥근 물방울 또는 기포는 발수성 표면에 형성되는 반면 더 평평하고 오래 지속되는 기포는 발수성 표면에 형성된다. 습윤면 .

이론적 값과의 편차

이 관계는 이전에 소위 "영-라플라스(Young-Laplace)" 방정식으로 설명되었다. 몇 가지 요인을 기반으로 표면에서 액적의 거동을 특징짓는 접촉각을 제공한다. 큰 각도는 낮은 습윤을 나타내고 작은 각도는 높은 습윤을 나타낸다. 그러나 최근에 레이저 측정 기술을 사용한 실험에서 이 입증된 이론이 매우 작은 물방울과 기포에 대해 실패한다는 것이 나타났다. 나노스케일에서 측정된 접촉각은 영 방정식의 이론적 예측에서 상당히 벗어난다.

Helmholtz Center Dresden-Rossendorf의 Wei Ding과 그의 동료들은 이제 이것이 왜 그런지 더 자세히 조사했니다. "우리는 분자가 계면에서 어떻게 상세하게 거동하는지를 고려했다"고 Ding은 말했다. "그런 다음 컴퓨터에서 이러한 분자 간의 상호 작용을 시뮬레이션했다.“

인터페이스에서의 비선형 효과

그렇게 함으로써 물리학자들은 이전 접근 방식과 분명한 차이점을 발견했다. 분자 사이에 작용하는 힘이 단순히 선형적으로 합산되지 않는다는 것이다. 대신 상호 작용이 훨씬 더 복잡하여 뚜렷한 비선형 효과가 나타난다. "이러한 효과는 나노 방울의 프로파일 편차에 대한 책임이 있으며 실험에서 관찰된 미세층을 설명한다"고 팀은 설명했다.

이 미세층은 증기 기포가 벽에 형성될 때 형성된다. 육안으로는 보이지 않는 매우 얇은 액체 막이 그 아래에 남는다. 이 필름은 기포가 어떻게 성장하고 벽에서 분리되는지를 결정한다. 과학자들은 이제 그들의 새롭고 확장된 이론에서 이것을 고려했다. "최신 실험 결과를 잘 설명하는 데 사용할 수 있다"며 "우리는 이제 이전보다 훨씬 더 정확하게 작은 물방울과 증기 거품의 거동을 이해한다”고 딩은 말했다.

냉각 시스템 및 수소 생산의 중요성

이러한 새로운 발견은 강력한 프로세서 냉각과 같은 수많은 응용 분야에 실질적인 의미가 있다. "액체를 끓여서 이 열을 제거하는 아이디어가 있다"고 함펠(Hampel)은 설명했다. "우리의 새로운 이론은 상승하는 증기 기포가 열에너지를 가장 효율적으로 운반할 수 있는 조건을 찾을 수 있도록 해야 한다." 이 방정식은 또한 원자로의 연료 요소를 더 효과적으로 냉각하는 데 도움이 될 수 있다.

또 다른 응용 분야는 전기분해에 의한 수소 생산이다. 전류에 의해 유도된 물 분해 동안 전극 표면에 수많은 기포가 형성된다. 새로운 이론의 도움으로 이러한 기포가 이전보다 더 표적화된 방식으로 영향을 받아 미래에 전기분해를 더 효율적으로 만들 수 있을 것으로 보인다.

이러한 모든 가능한 응용 프로그램의 핵심은 적합한 재료의 선택 및 구조화에 있다. "예를 들어 나노미터 크기의 홈이 있는 표면을 제공함으로써 끓는 동안 기포의 분리가 상당히 가속화될 수 있다"고 Ding은 설명했다. "우리의 새로운 이론의 도움으로 그러한 구조는 이제 우리가 이미 작업하고 있는 프로젝트인 더 세부적으로 맞춤화될 수 있다.“
(Journal of Colloid and Interface Science, 2022; doi: 10.1016/j.jcis.2022.10.062)
출처: Helmholtz Center Dresden-Rossendorf

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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