초임계 유체에서 장시간 지속되는 비평형 상분리 현상이 국내 연구진에 의해 관측됐다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 물리학과·첨단원자력공학부 윤건수 교수, 막스플랑크 한국/포스텍연구소(MPK)·물리학과 김동언 교수 공동연구팀이 수 시간 지속되는 초임계 유체1)의 비평형 상분리 현상을 관측했다. 또한, 상분리 경계면에서의 입자 수송 모델을 통하여 장시간 지속되는 상분리 현상을 설명하고, 이 과정에서 나노 입자의 역할을 규명했다.

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 확인됐다. 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.

공동연구팀은 반복적인 압축-팽창 방식으로 작동하는 승압 장치를 사용하여 초임계 아르곤 유체를 만드는 과정에서 단열팽창 냉각으로 형성된 다량의 아르곤 액적이 액체의 특성을 유지하며 기체에 가까운 초임계 유체 배경과 공존하는 상태를 구현했다. 이러한 두 개 상이 분리된 채로 공존하는 상태는 장시간 지속되는데, 공동연구팀은 이를 설명하기 위하여 전통적인 증발 모델을 개량한 나노 입자 단위의 물질 수송 모델을 제시했다.

한편, 초임계 유체는 낮은 점성과 높은 용해도 등 특별한 물리, 화학적 성질 덕분에 발전소의 열교환 시스템이나 제약 공정, 반도체 세척, 식료품 가공 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 이번 연구에서 발견한 비평형 초임계 유체에서의 상분리 현상은 열용량, 열전도도, 점성과 같은 물리, 화학적인 특성에 큰 영향을 끼치므로, 산업에 활용되고 있는 초임계 유체 공정에 대하여 중요한 시사점을 갖는다.

또한, 이번 성과는 미개척의 분야라고 할 수 있는 초임계 유체의 비평형 상분리 현상을 최초로 규명하면서 연계 연구를 위한 초석을 마련했다는 점에서 학술적인 의의가 크다.

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.

이번 연구성과는 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’의 지난 7월 30일에 게재됐으며, 이 연구는 한국연구재단 및 막스플랑크 한국/포스텍연구소의 지원으로 수행됐다.

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[용어설명]

1) 초임계 유체: 임계점 이상의 압력과 온도에 도달한 유체를 말한다. 유체의 종류에 따라 임계점은 다양한데, 이 연구에서 사용된 아르곤의 경우 임계점은 약 섭씨 영하 120도, 50기압이다. 초임계 유체는 낮은 점성과 매우 높은 열 전도율 및 화학적 활성도를 가진 것이 특징이며, 다양한 산업 분야에서 응용되고 있다.