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- 직경이 10~100나노미터인 나노 튜브를 통과하는 물 분자의 흐름을 시뮬레이션
- 역설적으로 튜브가 얇을수록 흐름에 대한 저항이 낮아진다.
- 다층 구조 탄소 벽의 표면에 소위 표면 플라즈몬이라고 하는 전기적 진동 패턴 생성
- 단층 벽을 가진 나노튜브의 경우 달라, 물 분자와의 상호 작용도 감소 마찰 작아져

나노 규모의 역설
왜 두꺼운 나노튜브보다 좁은 나노튜브에서 물이 더 빠르고 저항이 적을까

거꾸로 된 세계:
일반적으로 물은 얇은 파이프보다 큰 파이프를 통해 더 잘 흐른다.
그러나 나노 규모에서는 정반대이다. 가장 얇은 나노 튜브가 가장 낮은 흐름 저항을 갖는다. 연구자들은 이제 이 역설에 대한 설명을 찾았다. 결정적인 요인은 관 벽에 있는 전자의 거동과 물 분자와의 상호 작용이다. 이 "양자 마찰"은 물리학자들이 "Nature"에 보고한 바와 같이 더 얇은 단일벽 나노튜브에서 더 낮다. 

▲ 나노 탄소 튜브에서 물은 현재 이론에 따라 예상되는 것과 완전히 다른 방식으로 흐른다. © Maggie Chiang/Simons Foundation

거시적 세계에서 파이프의 유속은 주로 직경에 따라 달라진다.
파이프가 넓을수록 액체가 더 잘 흐르고 저항이 줄어든다. 반면에 모세혈관과 같은 좁은 관에서는 벽을 따라 마찰 효과가 점점 더 난류를 일으켜 흐름이 느려진다.

특히 매끄러운 벽의 튜브에서 이 인터페이스 효과는 감소하지만 실제로는 물이 매우 천천히 그리고 점성으로 흐른다.

나노 튜브는 원리를 뒤집는다.

물리학자들이 나노 카본 튜브로 관찰한 효과는 훨씬 더 놀랍다.
벽 두께와 직경이 다른 그러한 나노 튜브를 통해 물을 흐르게 하면, 나노 튜브는 예상했던 것과 정확히 반대 방향으로 반응한다. 역설적으로 튜브가 얇을수록 흐름에 대한 저항이 낮아진다. 초박형 단일 벽 탄소 튜브에서 물은 거의 저항 없이 흐른다.

소르본 대학의 니키타 카보킨(Nikita Kavokine)과 그의 동료들은 "분자 역학의 고전적인 시뮬레이션은 이 거동을 정성적으로 재구성할 수도 없다"며 "이것은 고체-유체 계면에 대한 우리의 이해에서 근본적인 것이 누락되었음을 시사한다"고 설명했다. 양자 상호작용의 모델조차도 나노 튜브에서 액체의 역설적 거동을 적절하게 복제할 수 없었다.

시뮬레이션에서 단서 찾기

이 수수께끼에 대한 해결책을 찾기 위해 카보킨(Kavokine)과 그의 팀은 전하의 거동, 특히 나노 튜브 벽의 전자를 자세히 조사했다. "고전적인 유체 역학에서 벽은 무엇으로 만들어지든 벽일 뿐이다"고 물리학자는 말했다. "그러나 나노 규모에서는 이것이 매우 중요하다."

이것은 벽 물질의 전하와 물 분자의 상호 작용이 유체 흐름을 늦추거나 촉진하는 양자 효과를 유발할 수 있기 때문이다.

그들의 모델에서 연구팀은 직경이 10~100나노미터인 나노튜브를 통과하는 물 분자의 흐름을 시뮬레이션했다. 튜브 벽은 단층 탄소 격자 또는 다층 흑연으로 구성되었다. 과학자들은 다른 시나리오를 사용해 벽의 탄소 격자와 물 분자 사이의 에너지 교환 및 양자 효과가 이러한 매개변수에 따라 어떻게 변하는지 조사했다.

▲ 물은 두꺼운 나노 탄소 튜브보다 얇은 나노 탄소 튜브를 통해 더 빠르고 더 잘 흐른다. © theasis/ Getty images

점프하는 전자와 플라즈몬(Plasmon) 파동
결과:
나노 튜브 벽의 특성이 역설적 효과에 결정적이다.
탄소 격자가 다층 구조인 경우 벽에 있는 전자는 이동의 자유도가 높다.
Kavokine과 그의 팀이 보고한 바와 같이 물 분자와 상호 작용할 때 들뜬 전자는 층 사이를 앞뒤로 이동할 수 있다. 이것은 탄소 벽의 표면에 소위 표면 플라즈몬이라고 하는 전기적 진동 패턴을 생성한다. 움직이는 물 분자는 이러한 전자 패턴과 상호 작용해 결과적으로 속도가 느려진다.

이것은 단층 벽을 가진 나노튜브의 경우 다르다.
전자는 그 안에서 움직임의 자유가 더 적다. "그래서 그래핀은 아주 작은 들뜸과 아주 작은 움직임 크기만 보여준다"고 팀은 말했다. 결과적으로 물 분자와의 상호 작용도 감소한다. 양자 마찰은 여전히 ​​약하다. "모두 종합하면, 물이 다층 흑연 튜브보다 단층 나노 튜브에서 더 잘 흐르는 이유를 설명한다.“

벽 곡률은 층을 분리한다.

튜브 직경이 중요한 이유는 무엇일까?
Kavokine과 그의 동료들이 개발한 모델은 이에 대한 설명도 제공한다. 직경이 15나노미터 이상인 두꺼운 나노 튜브에서 벽의 곡률은 개별 탄소 층의 결합에 거의 영향을 미치지 않는다.

따라서 전자는 크게 방해를 받지 않고 층 사이를 이동할 수 있다.
따라서 50나노미터 두께의 튜브는 벽에 흑연과 같은 구조를 가지고 있다고 물리학자들은 설명한다.

고체와 액체에 대한 첫 번째 증거

Kavokine과 그의 동료들에 따르면, 이 시나리오는 나노 튜브 역설에 대한 첫 번째 일관된 설명을 제공한다. Kavokine은 "우리의 연구는 고전적인 유체 역학과 지금까지 밝혀지지 않은 물질의 양자 특성 사이의 연결을 보여준다"고 말했다. 지금까지 이러한 유형의 양자 효과는 고체 또는 고체와 개별 입자 사이에서만 감지됐으며 여기서는 고체와 유체 사이에서 작용한다.

새로운 발견은 또한 매우 실용적인 응용을 가질 수 있다.
이러한 지식을 기반으로 나노 카본 튜브는 이제 목적에 따라 최적화될 수 있기 때문이다.
(예: 해수담수화, 생명공학 응용 또는 에너지 생성).
(Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-021-04284-7)
출처: Simons Foundation

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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