바닷물이 거품을 내는 이유
Focus: Why Seawater Is Foamy

물속 공기-거품 결합에 대한 관찰은 용해된 소금이 왜 이러한 과정을 늦추고 거품을 일으키는지 설명한다.

순수한 물에 일어난 거품은 쉽게 합쳐질 수 있다. 그러나 거품은 바닷물이나 용해된 불순물을 포함하는 다른 액체에서 훨씬 더 천천히 합쳐지는데, 이것이 그러한 액체가 종종 오랫동안 거품을 발생시키는 이유이다. 이제 한 연구팀의 공학자들은 이러한 차이의 근본적인 원인을 알아냈다고 믿고 있다. 즉, 물질이 액체에 녹을 때 생성되는 이동 가능한 이온인 전해질에 의해 형성되는 미묘한 힘을 말한다. 두 거품 사이의 충돌에서 이 힘은 거품을 분리하는 액체가 흘러갈 수 있는 속도를 크게 감소시킨다. 연구자들은 이러한 이해가 왜 소금기가 많은 바닷물에서 거품이 그렇게 쉽게 생기며 많은 산업적 응용에 유용할 수 있는지를 설명해 준다고 말한다.

전해질 농도가 높은 용액은 종종 지속적인 거품을 생성하기 때문에 연구자들은 수십 년 동안 용해된 전해질이 거품의 결합을 다소 늦춘다고 의심해 왔다. “그러나 그 효과는 여전히 수수께끼로 남아 있으며, 심지어 많은 이론은 전해질이 거품 결합을 더 빠르게 해야 한다고 주장합니다.”라고 캐나다 University of Alberta의 기계 공학자 Bo Liu는 말한다.

그래서 Liu와 동료들은 전해질의 존재가 거품의 결합에 어떤 영향을 미치는지 보다 정확하게 측정하기 위해 일련의 실험을 수행했다. 그들은 유리 모세관의 끝을 액체 표면 아래로 담그고 끝에 거품을 만들었다. 그리고 그들은 3 mm/s의 속도로 거품을 실리카 표면에 부착된 아래쪽의 거품과 합쳐질 때까지 아래쪽으로 밀어 넣었다. 간섭계를 이용하여 거품을 분리하는 액체막의 두께를 나노미터 정밀도로 측정하고, 이 두께가 0으로 줄어들 때까지 관찰할 수 있었다.

순수한 물에서 거품은 단단한 구처럼 작용하여 모양이 변하지 않고 접근하여 접촉하면 합쳐진다. 그러나, 다양한 전해질 용액 안의 거품은 현저하게 다른 2단계 결합 과정을 보여준다. 처음에는 순수한 물에서처럼 거품 표면이 더 가까워졌다. 그러나 일단 떨어진 거리가 약 40 나노미터(nm)로 줄어들자, 접근하는 표면의 “선두 가장자리”가 반발력이 있는 것처럼 평평해졌다. 다양한 크기의 전해질과 거품을 선택하여 실험한 결과, 이러한 평탄화는 거품 결합을 2~14 밀리초 지연시켰다.

이 실험들은 전해질의 존재가 거품 사이의 액체 막이 매우 얇아지는 마지막 단계에서 거품 결합을 둔화시킨다는 것을 처음으로 명확하게 보여준 것이라고 Liu는 말한다. 하지만 그 효과를 이론적으로 설명하는 것이 더 어렵다는 것이 증명되었다. University of Alberta의 연구원인 Rogerio Manica는 다양한 동료들과 함께 일하며 거품 결합을 연구하는 데 몇 년을 보냈고, 특히 다가오는 두 거품 사이의 얇은 액체 막이 어떻게 빠질 수 있는지에 영향을 미치는 물리학을 연구했다. 그렇다고 해도, 그는 “우리가 가지고 있던 어떤 것도 관측된 실험 데이터를 설명할 수 없습니다.”라고 말한다.

그러나 다른 사람들의 실험 결과를 연구하면서, Liu, Manica와 동료들은 순수한 물과 비교하여 몇 가지 전해질 용액의 표면 장력 측정에서 상당한 차이를 발견했다. Manica는 이러한 관찰 결과를 통해 거품이 합쳐지는 사이의 박막에서 전해질이 이동하는 상세한 수학적 모형을 개발할 수 있었다고 말한다. 유체 동역학 방정식을 사용하여 전해질의 흐름이 박막의 표면장력에 어떤 영향을 미치는지 설명할 수 있었다.

연구자들은 박막의 두께가 30‒50 nm로 줄어들면 박막과 유체의 나머지 부분 사이에 전해질 농도의 차이가 생긴다는 것을 발견했다. 이 차이는 작은 표면장력 변화와 박막에서 액체의 바깥쪽 흐름을 늦추는 관련 힘을 발생시킨다.

연구자들은 수송 방정식의 시늉내기에서 이 효과가 실험과 정확히 일치하여 박막 파열과 최종 거품 결합을 지연시킬 수 있을 정도로 박막이 빠지는 속도를 늦춘다는 것을 발견했다. “한마디로, 전해질은 얇은 액체 박막의 수명을 연장시킴으로써 거품의 응집을 크게 지연시킵니다.”라고 Liu는 말한다.

이 시나리오는 전해질을 많이 함유하고 있는 바닷물에서 흰 파도가 쉽게 형성되지만 민물 강과 호수에서는 덜 흔한 이유를 설명해준다고 Liu는 말한다. 이 새로운 이해는 수소 생산을 위한 물 분자의 전기화학적 분해와 같은 미래의 산업 응용을 찾을 수도 있다고 그는 제안한다. 이 과정에서 거품이 만들어지고 용액에서 결합되는 방식은 소비되는 에너지와 생산 효율에 근본적인 영향을 미친다.

프랑스 Paris에 있는 프랑스 국립과학연구소(CNRS)의 재료과학자 Adrien Bussonière는 “이것은 우아한 작업입니다.”라고 말한다. 그는 연구자들이 확인한 메커니즘이 개별 이온이 박막과 상호작용하는 나노 크기와 유체 흐름 현상이 작동하는 훨씬 더 큰 크기에서의 효과를 모두 포함한다고 지적한다. “이 메커니즘은 다양한 소금에 대해 보편적인 것으로 보이며 설명되지 않은 많은 전해질 실험을 해결합니다.”

Nanoscale Transport during Liquid Film Thinning Inhibits Bubble Coalescing Behavior in Electrolyte Solutions, Bo Liu, Rogerio Manica, Qingxia Liu, Zhenghe Xu, Evert Klaseboer, and Qiang Yang, Phys. Rev. Lett. 131, 104003 (2023), Published September 8, 2023.

엑스선 현미경으로 본 인쇄기의 역사
Arts & Culture: The History of the Printing Press under an X-Ray Microscope

연구자들은 한국과 유럽의 초기 인쇄 방법 사이의 가능한 연관성을 탐구하기 위해 역사적인 인쇄물과 집에서 만든 인쇄물의 싱크로트론 촬영법에 눈을 돌린다.

인쇄기는 지난 천 년간 가장 위대한 발명품으로 불려왔다. 그 업적은 종종 15세기 독일의 장인 Johannes Gutenberg에게 주어진다. 그러나 한국의 불교 가르침 모음집인 “직지심체요절”은 Gutenberg가 그의 첫 번째 성경을 제작하기 78년 전에 인쇄기로 인쇄되었다. ‘직지’와 ‘Gutenberg 성경’을 인쇄하는 방법의 유사점과 차이점은 무엇인가? 공동 연구 프로젝트의 일환으로 연구원들은 미국 California에 있는 SLAC National Accelerator Laboratory의 엑스선 탐사기를 사용하여 이 문제를 해결하고 있다. 그들이 고대 동서양 문헌의 화학적 조성에 대해 배우는 것은 문화 간의 지식 공유가 인쇄의 기술적 진화를 어떻게 형성했는지에 대한 통찰력을 제공할 것이다.

인쇄의 역사는 ‘직지’와 ‘Gutenberg 성경’ 모두보다 더 거슬러 올라간다. 8세기의 고고학적 증거에 의하면 동아시아의 필경사들은 목판에 글의 모양을 새기고, 그 위에 먹물을 문지르고, 잉크가 묻은 글을 종이에 눌러 최초의 인쇄된 두루마리를 만들었다고 한다. 이 기술은 결국 이동 가능한 금속 활자 인쇄술로 옮겨갔다. 여기서 한 장인이 틀에 녹인 금속을 부어 굳힌 금속 활자의 모음을 만들었다. 이런 문자 “도장”들은 잉크에 찍어 한쪽으로 찍을 수 있는 문서로 판에 배열된다.

그 과정은 우리에게 쉽게 들릴지 모르지만, 그 당시의 장인들은 최고의 금속 조성을 찾고 활자 설정 기술을 최적화하는 것과 같은 많은 어려움에 직면했다. 한국의 유네스코 국제기록유산센터(ICDH)에 의한 역사적 연구는 한국의 필경사들이 1234년 초에 이동 가능한 금속 활자로 책을 인쇄할 만큼 충분히 이 문제들을 익혔다는 것을 보여주었다. 이 인쇄 전통의 가장 오래된 예는 1377년의 ‘직지’이다.

하지만 Gutenberg는 여전히 이동 가능한 금속 활자 인쇄술의 발명가로 널리 여겨지고 있다. 하지만 기록은 서서히 바로 세워지고 있다. 최근 한국에서 이동 가능한 금속 활자 조각들이 발견되면서 Gutenberg 이전의 인쇄 산업이 확인되었다. 그리고 올 여름, 프랑스 국립도서관은 Gutenberg 인쇄물과 함께 가장 오래된 인쇄물 ‘직지’를 전시하는 전시회를 통해 한국의 인쇄 발상지로서의 역할을 인정했다.

인쇄의 역사는 다시 쓰여지고 있지만, 동양과 서양 모두에서 초기의 이동 가능한 금속 활자 인쇄물에 대해서는 아직도 많은 수수께끼가 남아 있다. SLAC의 Stanford 싱크로트론 방사 광원(SSRL)에서 수년간 엑스선 분광법을 개발하고 응용해 온 미국 University of Wisconsin-Madison의 물리학자 Uwe Bergmann은 “수백만 달러짜리 질문은, Gutenberg가 한국의 기술에 대해 알고 있었느냐, 몰랐느냐 하는 것입니다.”라고 말한다. 연구자들이 Gutenberg의 영향을 정확히 찾아낼 수 있을 것 같지는 않지만, 두 인쇄 문화의 표본에서 물질의 화학적 조성을 조사하는 것은 연구자들이 그들의 정확한 방법과 가능한 연관성을 종합하는 데 도움이 될 것이다. Bergmann과 그의 동료들은 고대 문헌의 고해상도 엑스선 형광(XRF) 영상을 이용하여 이 화학 정보를 수집하고 있다.

연구자들은 고고학, 의학 및 지질학 연구에서 크고 깨지기 쉬운 표본을 조사하기 위해 특별히 고안된 SSRL의 엑스선 빔 라인에 인쇄물을 배치하여 데이터를 수집한다. 빔은 개별 쪽을 스캔하고 각 화소에서 멈추어 용지와 잉크의 화학 원소를 밝힐 수 있는 XRF 스펙트럼을 수집한다. “수년 전 SSRL에서 XRF 촬영을 시작했을 때 화소당 10개의 [화학] 채널만 측정할 수 있었으나 이제 각 화소에서 2,000개 이상의 채널로 전체 XRF 스펙트럼을 수집할 수 있습니다.”라고 Bergmann는 말한다. 인쇄된 원고의 경우 단 몇 시간 만에 얻은 단일 쪽의 최대 500만 화소 엑스선 그림이 그 결과이다.

2022년에 Bergmann과 동료들은 1500년 이전의 한국과 Gutenberg 문서의 수십 개의 사례에서 여러 쪽을 분석했습니다. 연구자들은 두 세트의 인쇄물 모두 잉크가 구리와 납을 포함한 비교적 많은 양의 금속을 포함하고 있다는 사실에 놀랐다. “우리는 이러한 관찰된 금속 신호가 인쇄에 사용되는 금속 활자와 관련이 있는지 파악하고자 합니다.”라고 ICDH 팀원인 Angelica Noh는 말한다.

이러한 가능한 관계를 탐구하기 위해 연구자들은 다양한 잉크와 다양한 종이를 사용하여 초기 인쇄 기술을 복제하고 있다. Bergmann 교수가 올 여름 캐나다 화학회 강연에서 설명한 이 “역사적 재연”은 재현된 쪽의 미세한 규모의 화학적 세부 사항을 역사적 견해와 비교할 수 있는 기회를 제공한다. Bergmann은 “자체 제작 인쇄물에 대한 우리의 초기 연구는 인쇄물에 활자의 금속이 유출될 수 있는지, 어느 정도까지 유출될 수 있는지를 연구하고 있습니다.”라고 말한다. 그들은 또한 금속이 잉크에 건조제로 첨가되는 것과 같은 다른 가능성을 검토하고 있다.

비록 이 프로젝트가 아직 초기 단계에 있지만, 이 연구가 초기 인쇄 방법에 대한 우리의 이해의 공백을 메울 수 있기를 희망한다. 특히 중세 유럽 인쇄술에 사용된 재료의 종류에 대해서는 알려진 바가 많지 않다. Bergmann은 “잉크에 금속이 침출되어 있다는 것을 확인할 수 있다면, 우리는 이 정보를 사용하여 Gutenberg와 다른 초기 서양 판화에 사용된 합금에 대해 더 많은 것을 알 수 있을 것입니다.”라고 말한다. 그 합금 정보는 여전히 많이 있는 한국의 금속 활자에 대해 알려진 것과 비교될 수 있다. 아마도 유사한 것들이 동서양 간의 기술 이전의 증거가 될 수 있을 것이다.

정확한 역사가 어떻든 간에, 이동 가능한 금속 활자 인쇄술은 인류 문명에 지울 수 없는 흔적을 가지고 있다. ‘직지’의 유네스코 문화유산 기념일의 일환으로, Bergmann과 동료들은 2027년을 위한 여러 나라의 전시회를 준비하고 있다. “우리는 이 기술의 시작에 대해 세상에 알리고 싶습니다.”라고 그는 말한다.