과학자들은 액체를 광섬유에 캡슐화하여 음압 하에서 액체의 변태를 연구하는 혁신적인 방법을 개발했습니다. 이 기술은 빛과 음파를 사용하여 압력을 측정하는 더 간단한 방법을 제공하여 열역학과 화학 반응에 대한 새로운 발견의 길을 열었습니다. 물리량으로서 압력은 기상학의 대기압, 의학의 혈압, 심지어 일상생활의 압력솥이나 진공포장식품 등 다양한 분야에 존재합니다.
액체로 채워진 유리 모세관의 예술적 느낌. 과학자들은 광섬유에 액체를 캡슐화함으로써 음파를 센서로 사용하여 부압 효과를 관찰하고 측정했습니다. 이미지 출처: ©LongHuyDao
압력은 고체, 액체 또는 기체의 표면에 수직인 단위 면적당 힘으로 정의됩니다. 폐쇄 시스템의 힘의 방향에 따라 극단적인 경우 극도로 높은 압력은 폭발 반응으로 이어질 수 있는 반면, 폐쇄 시스템의 극도로 낮은 압력은 시스템 자체의 파열을 일으킬 수 있습니다.
과압은 더 많은 공기가 추가되면 팽창하는 풍선과 같이 항상 내부에서 용기 벽을 압박하는 가스 또는 액체를 의미합니다. 고압 또는 저압에 관계없이 정상적인 상황에서 압력 수치는 항상 양수입니다.
그러나 액체에는 특별한 성질이 있습니다. 부압 값에 해당하는 특정 변수 상태로 존재할 수 있습니다. 이 가변 상태에서는 작은 외부 영향으로도 시스템이 한 상태 또는 다른 상태로 붕괴될 수 있습니다. 롤러코스터 꼭대기에 앉아 있는 것과 같다고 생각해보세요. 한쪽 또는 다른 쪽을 살짝 건드리면 트랙에서 곤두박질치게 됩니다.
현재 연구에서 과학자들은 음압 하에서 액체의 변태를 연구하고 있습니다. 이를 위해 연구팀은 Nature Physics에 발표된 연구에서 다양한 열역학적 상태를 측정하기 위해 두 가지 독특한 기술을 결합했습니다.
첫째, 아주 작은(나노리터) 양의 액체가 완전히 밀폐된 광섬유에 캡슐화되어 높은 양압과 음압을 모두 가질 수 있습니다. 이어서, 액체 내 빛과 음파의 특별한 상호 작용을 통해 액체의 다양한 상태에서 압력과 온도의 영향을 민감하게 측정할 수 있습니다. 음파는 음압 값을 감지하는 센서 역할을 하며 높은 정밀도와 상세한 공간 분해능으로 물질의 독특한 상태를 탐색합니다.
(왼쪽부터) 연구팀장 비르기트 스틸러(Birgit Stiller)와 안드레아스 게일렌(Andreas Geilen), 알렉산드라 포프(Alexandra Popp)가 실험실에 있다. 이미지 출처: ©FlorianRitter,MPL
음압 및 측정 기술의 효과
액체에 대한 부압의 영향은 다음과 같이 상상할 수 있습니다. 열역학 법칙에 따르면 액체의 부피는 감소하지만 액체는 손가락에 물방울이 달라붙는 것처럼 유리 섬유 모세관의 접착력에 의해 영향을 받습니다. 이로 인해 액체가 "늘어납니다". 고무줄이 늘어나는 것처럼 액체가 분리됩니다.
이러한 이국적인 상태를 측정하려면 정교한 장비와 강화된 안전 예방 조치가 필요한 경우가 많습니다. 고압은 특히 독성 액체의 경우 위험한 작업입니다. 이번 연구에서 연구원들이 사용한 이황화탄소는 그러한 액체 중 하나입니다. 이러한 복잡성으로 인해 부압을 생성하고 결정하는 데 사용된 이전 측정 장치에는 많은 양의 실험실 공간이 필요했으며 심지어 정상 상태의 시스템에 교란을 초래했습니다.
연구원들은 이 기사에 설명된 방법을 사용하여 빛과 음파를 사용하여 매우 정확한 압력 측정을 수행할 수 있는 작고 간단한 장치를 개발했습니다. 이 목적으로 사용되는 광섬유의 두께는 사람의 머리카락 정도입니다.
연구자들의 코멘트
MPL의 Quantum Photoacoustics 연구 그룹 책임자인 Birgit Stiller 박사는 "새로운 측정 방법이 새로운 플랫폼과 결합되면 일반적이고 확립된 방법으로는 탐구하기 어려운 일부 현상에 놀라울 정도로 접근할 수 있게 됩니다. 이는 매우 흥미로운 일입니다."라고 말했습니다. 연구팀은 광섬유를 따라 온도, 압력 및 변형의 변화를 감지하기 위해 매우 민감한 음파를 사용했습니다. 또한 공간적으로 분해된 측정이 가능합니다. 즉, 음파는 길이에 따라 센티미터 수준의 해상도로 광섬유 내부에서 일어나는 일에 대한 이미지를 제공할 수 있습니다.
"우리의 방법을 통해 우리는 이 독특한 광섬유 시스템의 열역학적 의존성을 더 깊이 이해할 수 있게 되었습니다."라고 해당 기사의 두 저자 중 한 명인 Alexandra Popp이 말했습니다.
또 다른 수석 저자인 Andreas Geilen은 "측정 결과 몇 가지 놀라운 효과가 드러났습니다. 음파의 주파수를 보면 음압 상태에 대한 관찰이 매우 명확해졌습니다."라고 덧붙였습니다.
잠재적인 적용 및 결론
광음향 측정과 단단히 밀봉된 모세관 섬유를 결합하면 연구하기 어려운 물질과 마이크로반응기에서 독성 액체의 화학 반응을 모니터링하는 새로운 발견으로 이어질 수 있습니다. 이는 열역학의 새롭고 접근하기 어려운 영역에 침투할 수 있습니다.
IPHT Jena의 Markus Schmidt 교수와 역시 IPHT Jena의 Mario Chemnitz 박사는 다음과 같이 강조합니다. "완전히 밀봉된 액체 코어 섬유로 구성된 이 새로운 플랫폼을 통해 고압 및 기타 열역학적 환경에 접근할 수 있습니다. 이 섬유의 비선형 광학 현상을 연구하거나 추가로 맞춤화하는 것은 매우 의미가 있습니다."
이러한 현상은 재료의 고유한 열역학적 상태에서 이전에 탐구되지 않은 잠재적인 새로운 특성을 열어줄 수 있습니다.
Birgit Stiller는 다음과 같이 결론을 내렸습니다. "Erlangen과 Jena에 있는 우리 연구 그룹은 작고 작동하기 쉬운 광학 플랫폼에서 열역학적 과정과 상태에 대한 새로운 통찰력을 얻기 위해 각자의 전문 지식을 바탕으로 독특하게 협력하고 있습니다."