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모세혈관에서 물이 응축하는 과정 원자현미경으로 관찰.
분자 수준 두께 모세혈관에서도 켈빈 방정식은 타당하다.

켈빈 경이 옳다. 
수증기 응축에 대한 Kelvin 방정식은 원자 수준에서도 적용된다.

놀랍게도 타당함 :
현재의 일반적인 가정과는 달리 켈빈(Lord Kelvin)경이 150년 전에 확립한 증기압 방정식은 거시적 물체뿐만 아니라 분자 수준에도 적용된다. 물 분자 몇 개 두께에 불과한 모세관에서도 이 방정식은 수증기의 응축을 정확하게 설명한다. 처음으로 실험에서 밝혀진 것처럼. 지금까지 고전물리학은 이 미시적인 수준에서는 적용되지 않을 것이라고 생각했다. 

지금까지 고전물리학은 미시적인 수준에서는 적용되지 않을 것이라고 생각했다.

모래성, 생물학적 조직 또는 기술 응용 분야에서 마찰, 접착, 습기 또는 부식과 같은 물질의 많은 기본 특성은 모세관 응축과 같은 물리적 과정으로 형성된다.
공기 습도가 재료의 기공, 요철 및 미세 균열에 반영되는지 여부와 그 정도를 결정하고 응축되어 액체 물을 형성한다.

습도, 수증기 응축 및 기공 크기 사이의 관계는 약 150년 전 영국의 물리학자 켈빈 경이 확립한 증기압 방정식에 의해 설명된다. 표면 장력, 물의 밀도, 온도, 가스 상수 및 모세관(해부학, 메니스커스; 무릎뼈의 반달모양 연골조직에 있는 미세한 관)의 수면 곡률반경과 같은 매개 변수를 기반으로 공기중의 수증기가 응축되는 양을 계산하는 데 사용할 수 있다.

▲ 습도, 수증기 응축 및 기공 크기 사이의 관계는 약 150년 전 영국의 물리학자 켈빈 경이 확립한  증기압 방정식에 의해 설명된다.

Kelvin 방정식은 어디까지 적용될까?

전에는 Kelving 방정식에 한 가지 큰 결함이 있다고 생각을 했다.
모세관 현상에 의해 만들어지는 곡률 반경을 결정할 수 있는 모세관에만 적용된다는 것이다. 이것은 지름이 약 10나노미터 까지인 모세관의 경우다.
"실제 세계에서 구멍, 균열 및 구멍은 수 나노 미터 크기에서 멈추지 않고 훨씬 작아질 수 있다"고 맨체스터(Manchester) 대학의 치안 양(Qian Yang)과 그의 동료가 설명했다. "이것이 바로 응축을 일상적인 과정으로 만드는 이유다."

문제는 “더 작은 기공에서는 공동이 물 분자 몇 개 크기에 가까워지기 때문에 Kelvin 방정식이 적용될 수 없을 것으로 예상한다”라고 과학자들은 설명했다.
모세관이나 기공이 몇 개의 물 분자 두께에 불과하면 물의 특성이 변하기 때문이다.
메니스커스(Meniskus)의 곡률과 모세관 가장자리에서 인터페이스의 접촉각을 더이상 결정할 수 없으므로 방정식에는 매개 변수가 없다.

그래핀 지지체 및 처지는 크리스탈

Yang과 그의 동료들은 Kelvin 방정식이 실제로 분자 범위에서 실패하는지 여부를 실험에서 처음으로 테스트했 다. 이를 위해 그들은 여러 개의 그래 핀 스트립을 결정성 베이스 위에 놓고 이 스페이서를 원자층 몇 개 두께의 층상 규산염 결정으로 덮었다.
이것은 그래핀 스트립 사이에 작은 채널을 만들어 냈는데, 그 직경은 그래 핀의 원자층 수에 따라 단 하나의 탄소 원자 두께에서 수 나노 미터까지 다양했다.

그런 다음 결정적인 단계가 이어졌다.
원자 현미경을 사용해 연구자들은 웨이퍼처럼 얇은 최상층이 가는 관 위에 얼마나 가라앉았는지, 그리고 이것이 관의 습도와 두께에 따라 어떻게 변하는지 관찰했다.

왜냐하면 그 아래의 채널이 비어있을 때 최상층이 중력을 받기 때문이다.
그러나 물이 그 안에 응축되면 이 물 충전물은 표면층을 지지한다.
"미세한 관에서 물이 응축됐을 때 물이 갑작스럽게 줄어들었다"고 과학자들은 보고했다.

이러한 측정을 사용하여 Yang과 그의 동료는 모세 혈관에서 응축이 발생하는 조건을 결정할 수 있었으며, 따라서 이러한 값이 Kelving 방정식의 값과 일치하는지 여부도 확인할 수 있었다.

▲ William Thomson, 1. Baron Kelvin(1824-1907) 158 / 5000 우리는 열역학에 대한 결정적인 통찰력을 영국의 물리학자 켈빈 경과 뒤를 이은 증기압에 대한 켈빙 방정식에 빚지고 있다.

방정식은 여전히 ​​적용된다!

놀라운 결과 :
여기서 응축이 가장 작은 분자 수준에서 발생했음에도 불구하고 관찰 결과는 Kelving 방정식을 기반으로 예상되는 것과 거의 같았다.
“큰 놀라움이었다. 나는 기존 물리학의 완전한 붕괴를 기대하고 있었다”고 Yang은 말했다.
"하지만 이전 방정식은 잘 작동했다."

연구진은 처음으로 Kelvin 방정식이 가장 작은 규모에서도 타당성을 유지한다는 것을 실험적으로 증명했다. "모든 응축 효과와 그와 관련된 속성은 이제 가정 대신 확실한 증거에 의해 뒷받침된다. 적합한 것 같다. 따라서 우리는 이 방정식도 사용한다"고 Yang은 설명했다.

켈빈 경조차도 놀랄 것이다.

150년 전에 켈빈 경은 원자의 영역을 조사할 방법이 없었지만, 그는 자신의 방정식에서 이 영역을 다루었다. 맨체스터 대학의 수석 저자 Andre Geim은 “좋은 이론은 종종 적용 한계를 넘어서 적용된다”고 말한다. “Kelvin 경 조차도 그의 이론이 원자 규모에서도 유효하다는 사실에 놀랄 것이다. 그가 불가능하다고 생각했기 때문이다."

과학자들은 켈빈 방정식의 유효성을 확인함과 동시에 켈빈이 불가능하다고 생각한 것을 반박하게 됐다. 켈빈 경의 방정식은 켈빈 자신이 예상하지 못한 분야에서도 유효하다.
(Nature, 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2978-1)

출처 : University of Manchester

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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