500여 년 전, 미켈란젤로는 시스티나 성당 천장에 '천지창조'를 그리는 동안 큰 어려움을 겪었어요.
그는 약 4년 동안 천장을 올려다보며 그림을 그려야 했고, 얼굴 위로 물감이 계속 떨어졌죠. 이 작업을 두고 '그림이 아니라 고문에 가깝다'고 표현했답니다.
그런데 최근 국내 연구진이 바로 그 '떨어지는 물감'을 붙잡는 기술을 개발했어요.
한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김형수 교수 연구팀이 액체가 아래로 떨어지는 현상의 근본 원인인 '중력 불안정성'을 계면유체역학적으로 재해석하고, 거꾸로 매달린 액체에 소량의 휘발성 액체를 혼합해 이를 제어하는 방법을 제시했다고 3월 12일 밝혔어요.
계면유체역학은 액체 표면에서 작용하는 미세한 힘의 균형과 관련된 역학을 말합니다.
천장에 물감을 바르면 얇은 액체막이 형성되지만, 중력 때문에 이 액체막이 점점 불안정해지며 결국 떨어져요. 이러한 현상은 일상에서도 쉽게 볼 수 있어요.
목욕탕 천장에서 수증기가 응결되면 얇은 물층이 생기고, 시간이 지나면 물방울로 모여 떨어지죠. 냉장고 내부 천장에 맺히는 물방울 역시 처음에는 얇은 층으로 형성되지만 점차 커지며 아래로 떨어지려 해요.
이처럼 위쪽 표면에 맺힌 액체가 중력 때문에 무너지는 현상을 '레일리-테일러 불안정성(Rayleigh-Taylor instability)'이라 하며, 지금까지는 중력이 존재하는 한 피할 수 없는 현상으로 여겨져 왔어요.
이를 해결하기 위해 연구팀은 거꾸로 매달린 액체에 소량의 휘발성 액체를 섞는 방법을 제안했어요. 휘발성 성분이 증발하면 액체 표면의 농도 분포가 달라지고, 그 결과 표면장력에 차이가 생기죠. 표면장력은 액체 표면이 스스로를 안쪽으로 잡아당기는 힘으로, 물방울이 둥근 형태를 유지하게 만드는 원리예요.
표면장력에 차이가 생기면 장력이 큰 쪽이 작은 쪽을 끌어당기며 표면을 따라 흐름이 발생하는데, 이를 '마랑고니 효과(Marangoni effect)'라 해요. 연구팀은 이러한 표면 흐름이 아래로 떨어지려는 액체를 붙잡아 주며, 중력에 의한 불안정성을 억제한다는 사실을 실험과 이론을 통해 확인했답니다.
이 현상은 간단한 실험으로도 이해할 수 있어요. 물 위에 후추 가루를 고르게 뿌리면 가루는 그대로 물 위에 떠 있어요. 이때 가운데에 세제를 한 방울 떨어뜨리면 후추가 순식간에 가장자리로 밀려나요. 세제가 닿은 부분의 표면장력이 주변보다 약해지면서, 장력이 더 강한 바깥쪽이 액체를 끌어당기기 때문이죠. 그 결과 표면을 따라 흐름이 생기고, 후추도 함께 이동하게 돼요.
이번 연구에서는 휘발성 액체가 증발하면서 이런 표면장력 차이를 만들어 냈어요. 다만 이번에는 후추를 밀어내는 대신, 액체를 위쪽으로 끌어올려 아래로 떨어지려는 힘을 억제한 거예요.
그 결과 특정 조건에서는 액체막이 중력에도 불구하고 끝까지 유지되는 현상이 확인됐어요. 또 어떤 조건에서는 액적이 떨어지지 않고 액체막이 주기적으로 흔들리는 새로운 거동도 관찰됐죠. 이는 외부에서 에너지를 공급하지 않아도, 액체의 조성과 증발이라는 자연적인 과정만으로 중력 불안정성을 능동적으로 제어할 수 있다는 것을 보여 줘요.
이 원리는 정밀 코팅, 인쇄, 적층 공정 등에서 더욱 얇고 균일한 액체막 구현을 가능하게 하고, 기울어진 표면에서도 안정적으로 액체를 바를 수 있게 해 줘요. 또한 3D 프린팅 공정이나 우주와 같은 특수 환경에서의 유체 제어 기술로도 확장될 가능성이 있답니다.
최성훈 기자 csh87@etnews.com
