[윤건수교수, 김동언교수 연구팀] 초임계 유체의 비평형 상분리 현상을 관측

Caption: (a) 아르곤 상태도. 순간적인 유체의 압축-팽창으로 다수의 액적이 생성되고, 초임계 유체 속에서 한 시간 이상 공존한다. (b) 압력에 따른 액적의 수밀도, 증발 시간, 매질의 불투명도 측정 결과. 마이크로미터 크기의 액적과 동시에 나노미터 크기의 클러스터가 존재한다. 

포스텍(포항공대) 윤건수 교수, 막스플랑크 한국/포스텍연구소 김동언 교수 연구팀이 초임계 유체의 비평형 상분리 현상을 관측했다.

포항공과대학교(POSTECH) 물리학과·첨단원자력공학부 윤건수 교수, 막스플랑크 한국/포스텍연구소(MPK)·물리학과 김동언 교수 공동연구팀이 수 시간 지속되는 초임계 유체의 비평형 상분리 현상을 관측했다. 또한, 상분리 경계면에서의 입자 수송 모델을 통하여 장시간 지속되는 상분리 현상을 설명하고, 이 과정에서 나노 입자의 역할을 규명했다. 이 연구는 학술지 Nature Communications 최신호에 게재됐다. 이번 성과는 미개척의 분야라고 할 수 있는 초임계 유체의 비평형 상분리 현상을 최초로 규명하면서 연계 연구를 위한 초석을 마련했다는 점에서 학술적인 의의가 크다.

유체의 온도와 압력이 일정 수준 이상 높아지면 액체와 기체의 경계가 사라지고, 더 이상 상태 변화를 일으키지 않는 단상(single phase)의 초임계 유체로 존재한다는 점은 약 200년간 과학적인 상식으로 받아들여졌다. 하지만 2010년대에 이르러 초임계 유체는 온도와 압력 조건에 따라 액체 또는 기체의 특성을 가질 수도 있다는 연구 결과가 보고되었다. 이후 다양한 실험과 시뮬레이션을 통해 초임계 유체 영역 내에 다수의 상태가 존재함이 지속적으로 확인되었다. 그러나, 동일한 온도와 압력 지점에서 단상이 아닌 다수의 상이 공존하는 상태, 즉 일반적인 액체와 기체가 상분리되어 공존하는 것과 유사한 상태의 가능성에 대해서는 논의된 바가 없었다.

공동 교신저자로 참여한 POSTECH 윤건수 교수는 “비평형 초임계 유체에 대한 연구는 산업 공정에 대해서 뿐만 아니라 금성이나 목성과 같은 행성 대기, 화산 폭발, 지구 지각 내부에 존재하는 유체 등 자연계에 존재하는 다양한 초임계 유체의 특성을 이해하는데 기여할 것이다”라며, “실험 결과를 넘어서 비평형 상분리 초임계 유체를 이론적으로 해석하기 위한 연구를 수행하는 중”이라고 밝혔다.