뜨거운 액체 방울, 차가운 표면에서 튀어 올라...'화재 방지 등 활용' 기대
홍콩 연구팀, 고온 액체 방울의 독특한 물리적 현상 발견 연구 결과, 화재 방지 및 엔진 효율 개선에 활용 가능성
[CBC뉴스] 홍콩시립대 핑안 저우 교수팀이 뜨거운 액체 방울이 차가운 표면에서 공처럼 튀어 오르는 현상을 발견했다. 이번 연구는 과학 저널 '뉴턴'을 통해 발표됐으며, 이 현상은 화재 방지와 엔진 효율 향상에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 연료와 유사한 성질을 가진 헥사데칸의 상온 및 고온 상태 방울을 차가운 표면에 떨어뜨리는 실험을 진행했다. 그 결과, 고온 상태의 액체 방울이 표면에 닿았을 때 공처럼 튀어 오르는 현상을 확인했다. 이는 방울 아래쪽에 형성되는 얇은 공기층의 힘에 의해 발생하며, 라이덴프로스트 효과와 유사한 원리로 설명된다.
"뜨거운 프라이팬에 물방울이 떨어지면 작은 호버크라프트처럼 얇은 증기층을 타고 떠다닌다"는 저우 교수의 설명처럼, 고온 액체 방울도 차가운 표면에서 비슷한 메커니즘으로 튀어 오르는 것이다. 연구팀은 이 현상이 자가세정, 결빙방지, 열전달, 에너지 수확 등 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있다고 보고 있다.
컴퓨터 모델링과 고속 및 열화상 카메라를 사용한 분석 결과, 뜨거운 액체 방울이 차가운 표면에 가까워질수록 바닥 쪽이 위쪽보다 더 빨리 냉각되는 것이 관찰됐다. 이 온도 차이는 액체 방울 내부의 순환을 촉진하며, 더 뜨거운 액체가 가장자리에서 바닥 쪽으로 흐르면서 공기를 함께 끌어당긴다. 이 공기가 쿠션을 형성해 액체 방울이 표면에 닿는 것을 막고 다시 튀어 오르게 한다는 것이 연구팀의 설명이다.
이번 연구는 특히 '마랑고니 효과'가 방울 아래쪽 기체막을 두껍게 만들어 반동을 강화하는 데 중요한 역할을 한다는 점을 강조했다. 이는 뜨거운 프라이팬이 기체막을 만들어 물방울이 튀게 하는 라이덴프로스트 효과와는 다른 점이다.
또한, 연구팀은 플라스틱 필름 표면과 엔진 표면에 발수 코팅을 한 후 화재 확산과 연료 연소 효율을 측정했다. 그 결과, 고온 액체 방울이 플라스틱 표면에 닿는 면적이 줄어 화재 피해가 4분의 1 이하로 줄었으며, 발수 코팅 엔진에서는 연료 방울이 표면에 붙지 않고 구슬처럼 뭉치면서 완전히 연소됐다.
저우 교수는 "이 연구 결과는 직물과 같은 가연성 물질을 불에 타는 액체 방울로부터 보호하는 데 도움이 될 수 있다"며, "화재 영역을 줄이고 확산속도를 늦추면 소방관들이 화재 진압 시간을 더 확보할 수 있다"고 강조했다. 이 연구는 화재 예방과 연료 효율성을 높이는 데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 보인다.
◆ 출처 : Newton, Pingan Zhu et al., 'Self-lubricated bouncing of hot droplets'
▮ CBC뉴스ㅣCBCNEWS 한종구 기자