한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)이 160년 넘게 풀리지 않던 '불균일 확산 현상' 물리 원인을 규명했다.
KAIST는 김용정 수리과학과 교수, 최명철 바이오 및 뇌공학과 교수팀이 불균일한 환경에서 발생하는 분류 현상을 설명하는 새로운 확산 법칙과 실험 증명을 제시했다고 2일 밝혔다.
미시 입자들의 무작위 움직임이 만들어 내는 거시적 질량 이동 현상이 '확산'이다. 물리, 화학, 생물, 재료 등 자연 현상뿐 아니라 정보, 경제, 주가 변동 등 사회 현상에 이르기까지 거의 모든 분야에서 발생한다. 무작위성이 확산 현상 주원인이기 때문이다.
1905년 아인슈타인은 확산을 브라운 운동과 결합해 분자의 무작위 행보로 설명했고, 균일한 환경에서의 확산 이론은 완벽하게 정립됐다.
반면 1856년 루트비히는 불균일한 환경에서는 물질이 확산으로 섞이는 것이 아니라 오히려 분류되는 현상을 발견했다.
이후, 확산 외에 다른 추가 대류 현상이 존재해 분류 현상을 만드는지, 아니면 무작위 입자 움직임에 의한 것인지에 대한 의문과 논쟁이 160여 년간 이어졌다.
연구팀은 '아인슈타인의 입자적 설명'이 불균일한 환경에서 발생하는 분류 현상을 설명할 수 있을 것이라는 가정하에 연구를 진행했다.
그 결과 미시 수준에서의 무작위 행보가 불균일한 환경에 적용되면 확산 계수 D는 전도도 K와 운동성 M으로 나뉘며, 이 중 운동성 M에 의해 분류 현상이 발생한다는 것을 수학적 계산과 유도로 밝혔다.
이렇게 만들어진 새로운 확산 법칙은 기존 확산 법칙처럼 계수 D 하나로만 이뤄지지 않고, 두 계수로 결정되는 '2개 요소 확산 법칙'이 된다.
새로운 확산 법칙이 분류 현상을 완벽하게 설명할 수 있다면, 추가 대류 현상은 존재하지 않으며 오직 무작위 입자 운동만으로 분류 현상이 발생한다는 것이 증명된다.
김용정 교수는 “이번 연구는 공간적으로 이질적인 환경에서 확산만으로도 입자의 분류가 가능하다는 것을 입증한 중요한 발견으로 기존 확산 법칙이 설명하지 못한 현상을 정확히 해석해냈다”고 말했다.
최명철 교수는 “향후 생명과학 및 재료과학 분야에서 새로운 분리 기술 개발에 기여할 것이며 나아가, 불균일한 환경에서의 확산 현상을 다루는 다양한 분야에서 제시된 확산 법칙이 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
연구팀은 후속 연구로 온도 불균일에 의한 분류 현상과 고체 내의 성분 불균일에 의한 분류 현상을 연구할 계획이다. 다양한 종류의 분류 현상이 2개 요소 확산 법칙으로 설명될 수 있음을 밝히고, 그 특성을 규명할 것을 계획하고 있다.
김호연 KAIST 수리과학과 박사와 이근민 바이오 및 뇌공학과 박사과정생이 공동 제1 저자로, 김용정 교수와 최명철 교수가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구는 '미국화학회지'에 8월 30일 자 온라인 게재됐다.
이 연구는 한국연구재단, 보건복지부, KAIST 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
