동아대학교는 이헌상 화학공학과 교수 연구팀이 130여년 동안 밝혀지지 않았던 완전히 섞이는 유체 계면의 지속·붕괴 메커니즘을 하나의 수식적 틀로 규명해 냈다고 28일 밝혔다.
완전히 섞일 수 있는 유체가 접촉한 후 즉시 혼합되지 않고 일정 시간 계면을 유지하는 현상은 인체, 화학 공정, 해양 환경 등 자연 및 기술 시스템 전반에서 확인된다. 하지만 1893년 반 데르 발스의 계면 이론 제시 이후, 계면이 유지되는 정량적 원리는 물리학계의 장기 미제 과제로 남아있었다.
연구팀은 '자유에너지 지형'과 '계면 농도장'이 동시 상호작용하는 '자유에너지 공진화 변분원리'를 도출해 이 난제를 해결했다. 기존 이론이 지형과 물의 흐름을 순차적으로 해석했던 한계를 넘어, 지형과 흐름이 하나의 상태로 동시에 변화한다는 원리를 정립해 계면의 생성부터 붕괴까지의 전 과정을 정량적으로 예측하는 데 성공했다.
이번 연구는 특정 현상에 대한 단순 해석을 넘어 변분 제1원리 형태의 기초 물리법칙을 제시한 '원리 제안형' 기초 연구로서, 향후 정밀 화학공정 최적화 및 소프트매터 제어 기술로 확장될 것으로 기대된다.
이 교수팀의 연구는 '완전히 섞이는 유체의 계면을 지배하는 보편법칙'(The universal law behind long-lived interfaces in fully miscible fluids)이라는 제목으로 Nature Portfolio가 발행하는 물리학 분야 국제학술지 '커뮤니케이션스 피직스'(Communications Physics)에 게재됐다.
이 교수는 "이번 성과는 기존 사고 틀을 넘어선 새로운 기초 물리 이론의 정립"이라며 "향후 정밀 화학공정과 첨단 소재 설계의 핵심적인 학문적 기초가 될 것"이라고 설명했다.