나노기술 및 정책 정보

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중국과학기술대학교 공정과학대학 산하 "중국과학원 소재 역학 행위 및 디자인 중점 실험실" 왕펑차오(王奉超, 왕봉초) 교수 연구팀은 영국 맨체스터 대학교의 노벨 물리학상 수상자인 Andre Geim 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하고 나노 한계 영역 모세 응집 이론 연구에서 혁신 성과를 취득하여 이슈가 되고 있음.

모세 응집은 한계 영역 공간 내부의 기체가 과포화 상태에 이르지 않아도 응집이 되어 액체 로 변하는 현상을 의미하는데 모세 응집은 일반적으로 입자 상태 물질과 다공성 매개체 속에서 발생하며, 고체 액체 인터페이스 위치에서의 흡착, 윤활, 마찰과 부식 등 특성을 최대한 개변시킬 수 있는 상황임. 

모세 응집은 거시적 고체 액체 인터페이스 습윤(濕潤)과 미시적 분자 간 역학 역할과 연관되어 있으며, 나노 한계 영역 역학의 관건적인 과학 과제가 되고 있을 뿐만 아니라 현재 중간 척도 과학(mesoscale science) 분야 국제 선행 연구에서 이슈가 되고 있음.

지난 150년 전에 저명한 영국 과학자인 윌리엄 톰슨(William Thomson)이 이론적으로 모세혈관 내에 구부러진 액체 기체 인터페이스가 일으킨 증기 압력 변화를 묘사하였는데 이런 묘사를 켈빈 방정식이라고 하며, 켈빈 방정식은 고체 액체 인터페이스 습윤(濕潤) 분야 3대 대표적인 이론 중의 하나에 속하며, 과학자들은 수십 년 동안 켈빈 방정식이 나노 사이즈에서의 적용성 문제를 연구하는데 주력해옴. 

하지만 극단적인 한계 영역 조건 하에서 루트 특징의 사이즈는 물 분자의 크기와 비슷하여 실험 관측이 어렵고 전형적인 모델 속에서 사용하는 조각달 곡률, 접촉 각 등 개념은 정확하게 정의하기 어렵기 때문에 이론 분석에 큰 도전을 가져옴. 

이런 문제에 근거하여 연구팀은 2차원 소재를 이용하여 나노 루트를 구축하고, 관련 실험을 실행한 동시에 루트 벽 면 변형에 기반 하여 모세 응집 표면 특징 분석을 실행하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 고체 액체 인터페이스 에너지 사이즈 효과에 대한 연구를 실행하고 대표적인 켈빈 방정식을 수정하고 나노 한계 영역 모세 응집 관련 새로운 이론 연구를 실행하였으며, 극한 사이즈의 최신 실험 결과 및 역학 메커니즘에 대해 합리적인 해석을 실행하였으며, 고체 액체 인터페이스 역학은 나노/서브 나노 사이즈의 모세 응집 속에서 중요한 역할을 발휘한다는 점을 설명하였으며, 대표적인 이론 방정식 중의 중요한 매개 변수 및 경계 조건의 미시적 이해는 중간 척도의 고체 액체 인터페이스 과학 연구의 핵심에 속한다는 점을 명확히 제시하였음.

연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 중간 척도 과학 연구 성과는 대표적인 켈빈 방정식의 적용 범위를 확장시켰을 뿐만 아니라 나노 한계 영역 모세 응집을 이해하기 위한 관건적인 이론 기반을 제공하였고, 이번 연구를 통해 취득한 혁신성과는 마이크로 전자, 제약, 식품과 기타 다양한 분야 연구개발을 추진하는 면에서 실제적인 응용 전망을 보유하고 있음.

본 연구 성과는 Nature("Capillary condensation under atomic-scale confinement")에 게재됨.