물방울의 낙하 충격이 표면을 잠식하는 메커니즘 세계 최초 규명 VIDEO: New study solves mystery of how soft liquid droplets erode hard surfaces
미 미네소타 트윈 시티 대학 연구팀
새로운 연구는 부드러운 액체 방울이 단단한 표면을 어떻게 잠식하는지에 대한 미스터리를 해결하고 있다.
미네소타 트윈 시티 대학 연구진이 주도한 최초의 연구는 액체 방울이 단단한 표면을 침식하는 능력을 가진 이유를 밝혀냈다. 이 발견은 엔지니어들이 더 나은, 더 내식성 재료를 설계하는 데 도움을 줄 수 있을 것이다.
새롭게 개발된 기술을 사용하여, 연구원들은 표면에서의 액체 방울의 충격에 의해 생기는 전단 응력이나 압력과 같은 숨겨진 양을 측정할 수 있었는데, 이것은 지금까지 시각적으로만 연구된 현상이다.
이 논문은 Nature Research가 발행하는 동료 검토의 오픈 액세스 과학 저널인 Nature Communications에 게재되어 있다.
연구원들은 빗방울이 땅에 떨어지는 방식에서부터 에어로졸에 포함된 COVID-19와 같은 병원균의 전염에 이르기까지 수 년 동안 물방울의 영향을 연구해왔다. 천천히 떨어지는 물방울은 시간이 지남에 따라 표면을 잠식할 수 있다는 것은 상식이다.
하지만 왜 겉으로 보기에 부드럽고 유동적인 것이 딱딱한 표면에 그렇게 큰 충격을 줄 수 있을까요?
"동양과 서양 문화권에는 '물을 흘리면 돌이 파진다'는 비슷한 말이 있다,"라고 이 논문의 수석 저자이자 미네소타 대학 화학 공학과 재료 과학부의 부교수인 샹 쳉은 설명했다. "이러한 말들은 '집요하라'는 도덕적 교훈을 주려는 의도이다. 비록 당신이 약하더라도, 무언가를 계속 할 때, 당신은 영향을 미칠 것이다.' 하지만, 물방울처럼 부드러운 것이 바위처럼 단단한 것에 부딪히면, '왜 낙하 충격이 피해를 주지?'라고 생각하지 않을 수 없다. 그 질문이 우리 연구에 동기를 부여했다.
과거에는 액체 충격이 고속 카메라를 사용하여 시각적으로만 분석되었다. 미네소타 대학 연구원들의 새로운 기술인 고속 응력 현미경은 액체 방울이 표면에 부딪힐 때의 힘, 응력, 압력을 직접 측정함으로써 이 현상을 연구할 수 있는 보다 정량적인 방법을 제공한다.
연구진은 물방울이 가하는 힘이 물방울의 중심에 집중되는 것이 아니라 충돌하는 물방울과 함께 실제로 퍼져나가고 물방울이 퍼져 나가는 속도가 단시간에 음속을 초과하여 표면에 충격파를 발생시킨다는 것을 발견했다. 각각의 물방울은 작은 폭탄처럼 작용하며, 폭발적으로 충격 에너지를 방출하고 시간이 지남에 따라 표면을 잠식하는 데 필요한 힘을 준다.
이 연구는 물방울 충격을 연구할 수 있는 새로운 방법을 마련하는 것 외에도, 엔지니어가 실외 요소를 견뎌야 하는 애플리케이션을 위해 더 많은 내식성 표면을 설계하는 데 도움이 될 수 있다. 미네소타 트윈 시티 대학의 Cheng과 그의 연구실은 이미 이 연구를 확장하여 다양한 질감과 재료가 액체 방울에 의해 생성되는 힘의 양을 어떻게 변화시키는지 연구할 계획이다.
황기철 콘페이퍼 에디터 인플루언서
Ki Chul Hwang Conpaper editor influencer
(Source:
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/03/220331101521.htm)
Slow motion water droplet impact on a sandy surface
