과학자들은 물이 이전에 생각했던 것보다 표면을 가로질러 이동할 때, 특히 작은 장애물에 달라붙어 미끄러져 지나갈 때 훨씬 더 많은 전하를 생성한다는 것을 발견했습니다. 이 새로운 발견은 표면 설계에 혁명을 일으켜 더 안전한 연료 저장, 더 나은 에너지 저장 및 더 빠른 충전 기술을 가능하게 할 수 있습니다.
RMIT 대학과 멜버른 대학의 연구자들은 물이 표면을 이동할 때 생성되는 전하가 이전에 생각했던 것보다 10배 더 강하다는 것을 발견했습니다.
Joe Berry 박사, Peter Sherrell 박사, Amanda Ellis 교수가 이끄는 연구팀은 물방울이 표면의 작은 융기나 거친 부분을 만날 때 갑자기 장애물을 "점프"하거나 "미끄러지는" 때까지 힘을 키우는 것을 발견했습니다. 이 움직임은 과학자들이 이전에 관찰한 적이 없는 오래 지속되는 전하를 생성합니다.
물의 "스틱-슬립" 운동에 대한 새로운 이해는 전기적으로 제어될 수 있는 표면 설계의 문을 열어줍니다. 잠재적인 응용 분야에는 연료 저장의 안전성 향상, 에너지 저장 강화 및 충전 효율성 향상이 포함됩니다.
RMIT 대학 과학대학에서 환경으로부터 전기 에너지를 포착하고 이용하는 것에 초점을 맞춘 연구를 하고 있는 Sherrill은 "대부분의 사람들은 창문이나 자동차 앞 유리에서 무작위로 떨어지는 빗물을 관찰할 것이지만 빗물이 약한 전하를 생성한다는 것을 인식하지 못합니다. 이전에 과학자들은 액체가 표면을 떠날 때, 즉 젖은 상태에서 건조한 상태로 변할 때 이 현상이 발생한다고 생각했습니다. 이번 연구에서 우리는 액체가 처음 표면에 닿을 때, 즉 건조한 상태에서 젖은 상태로 전하가 발생한다는 것을 보여주었습니다. 이는 습식에서 건식 충전보다 10배 더 강합니다. 중요한 것은 우리 연구에서 이 전하가 발생하는 위치를 정확히 찾아내지는 못했지만, 전하가 경계면에서 생성되어 표면을 가로질러 이동할 때 액적에 남아 있을 수 있다는 점을 분명히 보여주었다는 것입니다."
멜버른 대학 화학공학과 유체역학 전문가 Berry는 "순제로 전환에 필요한 새로운 재생 가능한 가연성 연료를 채택하기 시작하면서 액체가 표면 위로 흐를 때 전하를 생성하는 방법과 이유를 이해하는 것이 중요합니다"라고 말했습니다. "가연성 액체가 담긴 연료 용기 내부에 충격을 가하는 것은 매우 위험하므로 액체가 이동한 후 충전기를 설치해야 합니다. 이러한 지식은 새로운 연료의 전하를 줄일 수 있는 코팅을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. "현재 기존 연료의 경우 흐름을 제한하거나 첨가제를 사용하거나 기타 조치를 사용하여 전하 축적을 줄일 수 있습니다."
Physical Review Letters에 발표된 연구에서 팀은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)에 사용되는 물과 재료를 사용하여 이러한 충전 효과를 연구했습니다.
테플론은 파이프 및 기타 유체 취급 재료에 일반적으로 사용되는 플라스틱이지만 전기를 전도하지 않으므로 생성된 전하를 안전하거나 쉽게 제거할 수 없습니다.
연구팀은 테프론 평판 위에서 물방울이 퍼지고 수축하면서 생성되는 전하와 접촉 면적을 측정해 표면에서 물방울의 움직임을 효과적으로 시뮬레이션한 뒤, 특수 카메라를 이용해 전하의 변화를 측정하면서 물방울이 달라붙고 미끄러지는 개별 프레임을 포착했다.
"우리는 세 명의 우수한 화학 공학 석사 학생이 멜버른 대학 과정의 일환으로 실험을 설정하고 실행하는 데 도움을 줄 수 있는 행운을 얻었습니다."라고 Berry는 말했습니다.
제1저자인 멜버른 대학교 박사과정 학생인 Shuaijia Chen은 물이 처음 표면에 접촉할 때 생성된 전하가 0에서 4.1나노쿨롱(nC)으로 가장 많이 변한다고 말했습니다.
물이 표면과 상호작용하면서 습한 상태와 건조한 상태를 번갈아 가며 전하량은 약 3.2~4.1나노암페어 사이에서 변동합니다.
Chen은 “테플론 표면을 가로질러 움직이는 물에 의해 생성된 전하의 양은 트램폴린에서 누군가 옆으로 점프할 때 받을 수 있는 정전기 충격보다 백만 배 이상 작습니다. 이 전하의 양은 사소하게 들릴 수 있지만 이 발견은 다양한 실제 응용 분야에서 액체 표면 상호 작용에 의해 생성된 전하를 강화하거나 약화시키는 혁신으로 이어질 수 있습니다”라고 Chen은 말했습니다.
팀은 이 연구의 영향이 미래 업계 파트너와의 상용 기술 공동 개발에 달려 있다고 말합니다.
연구원들은 다른 유형의 액체와 표면에서 스틱 슬립 현상을 연구할 계획입니다.
Sherrell은 "다른 액체 및 표면 물질 상호 작용의 전하량과 전하 속도는 다양한 잠재적인 상업적 응용과 관련이 있을 수 있다"고 말했습니다. "우리는 스틱-슬립 운동이 암모니아와 수소를 저장하고 운반하는 데 사용되는 유체 처리 시스템의 안전한 설계에 어떤 영향을 미치는지, 에너지 저장 장치의 액체 이동에서 전기 에너지를 회수하고 충전을 가속하는 방법을 연구할 계획입니다."
/ScitechDaily에서 편집됨