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제4의 물질 ‘플라즈마’로 액체-기체 경계면 안정성 높인다

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제4의 물질 ‘플라즈마’로 액체-기체 경계면 안정성 높인다

2021.04.02 13:05
최원호 KAIST 원자력및양자공학과 교수팀
최원호 KAIST 원자력및양자공학과 교수(사진) 연구팀이 플라즈마가 액체-기체 경계면의 안정성을 높인다는 사실을 알아냈다. KAIST 제공
최원호 KAIST 원자력및양자공학과 교수(사진) 연구팀이 플라즈마가 액체-기체 경계면의 안정성을 높인다는 사실을 알아냈다. KAIST 제공

최원호 KAIST 원자력및양자공학과 교수팀은 "헬륨(He) 기체를 고전압으로 이온화시켜 플라즈마로 만들어 물 표면에 뿌리면 기체를 뿌렸을 때보다 물 표면의 안정성이 증가한다는 사실을 발견했다"고 2일 밝혔다.

 

기체를 액체 표면에 제트(jet) 형태로 뿌리면 흥미로운 현상이 나타난다. 컵에 담긴 물에 숨을 약하게 불면 물 표면이 고무공처럼 오목하게 들어갔다 원래대로 돌아오는 현상이 한 예다. 하지만 기체와 액체가 만나는 경계면은 불안정한 상태다. 이 때문에 물 표면에 숨을 약하게 불면 원래대로 돌아오지만 강하게 불면 오목하게 들어가지 않고 거품이 일며 물방울이 튀어 오른다. 기체를 액체 표면에 분사하는 현상은 과학 분야에서 흥미로운 연구 분야지만 안정성을 높이는 연구는 부족했다.

 

연구팀은 기체 제트 강한 전기장을 걸어 플라즈마로 만들 때 발생하는 파동인 '플라즈마 총알'과 '전기바람'이 액체와 기체의 경계면의 안정성을 높인다는 사실을 알아냈다. 기체 제트 내에서 플라즈마를 발생시키면 속력이 1초당 수십 미터인 전기바람이 발생한다. 연구팀은 이 전기바람이 물 표면에 힘을 작용해 물 표면의 상태가 안정성이 증가한다는 것을 실험으로 확인했다.

 

연구팀은 또 속력이 1초당 수십 킬로미터인 플라즈마 총알이 물 표면에 나란한 방향으로 강한 전기장을 발생시켜 물 표면이 안정성을 높인다는 사실을 입증하고 이를 통해 ‘플라즈마-물 이론 모델’을 만들었다.

 

최원호 교수는 "이번 연구는 플라즈마에 대한 과학적 이해를 높이는 동시에 경제적이고 산업적 활용이 가능한 플라즈마 유체 제어 분야를 확대할 것"이라며 "플라즈마 의료, 생명, 농업, 식품, 화학 등 여러 분야의 기술 개발에도 크게 기여할 것"이라고 말했다.
 
이번 연구는 국제학술지 '네이처' 인터넷판 4월 1일자에 실렸다.

 

기체 제트의 이온화를 통한 액체 표면의 안정화를 모사한 삽화. KAIST 제공
기체 제트의 이온화를 통한 액체 표면의 안정화를 모사한 삽화. KAIST 제공

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