[POSTECH, 초임계 유체 비평형 상 분리 관측, 한 시간 동안 살아남는 나노 클러스터 존재 입증]

‘초임계 유체^*1’란 물질의 온도와 압력이 임계점을 넘어선 상태로, 더 이상 액체와 기체 같은 상의 구분이 없는 단일상의 상태로 오랫동안 알려져 왔다. 그런데 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 초임계 유체 내부에서 나노미터 크기의 ‘액체 덩어리’가 최대 한 시간 동안 존재한다는 사실을 관측하여, 초임계 유체에서의 비평형 상 분리 현상을 실험적으로 입증했다.

POSTECH 첨단원자력공학부·물리학과 윤건수 교수 연구팀이 한국원자력연구원 장종대 박사팀, 경희대 하민영 교수, 미국 오크리지국립연구소 도창우 박사팀과 함께 지금까지 단일상으로 여겨졌던 초임계 유체에서 액체와 유사한 상태로 분리되어 존재하는 나노 클러스터들의 실체를 실험적으로 규명했다. 이 실험은 우리나라의 중성자 연구 시설인 ‘하나로(HANARO)’의 ‘중성자 소각 산란’^*2 장치를 활용했다.

온도 및 압력을 임계점 이상으로 높였을 때 나타나는 특수한 상태인 초임계 유체는 액체와 기체의 경계가 사라져 상 분리가 발생하지 않는 하나의 균일한 상태라고 오랫동안 알려져 왔다. 최근 시뮬레이션 카지노사이트 주소에 따르면 초임계 유체가 평형 상태, 즉 온도·압력·농도 등이 일정한 상황에서는 ‘기체에 가까운 상’과 ‘액체에 가까운 상’으로 구분되는 세부 영역이 있다는 결과도 제시되었다. 하지만 산업 현장에서 활용되는 초임계 유체는 대부분 압력과 온도가 변화하는 비평형 상태에서 사용되는데, 이러한 조건에서의 상 분리 현상은 제대로 밝혀지지 않았다.

카지노사이트 주소팀은 크립톤 기체를 고압력으로 압축하여 초임계 유체를 만들고, 시간에 따른 중성자 산란 신호의 변화를 정밀하게 관찰했다. 그 결과, 초임계 유체 내부에 액체상과 유사한 특성을 가진 평균 1.3 나노미터 크기의 클러스터가 실제로 존재함을 확인했다. 이는 크립톤 원자 약 30개가 뭉쳐진 크기다. 더욱 흥미로운 점은 이 클러스터들이 약 1시간 이상의 오랜 시간에 걸쳐 서서히 사라진다는 것이다. 이로써 카지노사이트 주소팀은 초임계 유체가 단상으로만 존재한다는 지금까지의 통념을 깨고, 동적 환경에서는 상 분리 현상이 일어날 수 있음을 실험적으로 입증했다.

카지노사이트 주소팀이 입증한 비평형 상 분리 현상을 진단하고 제어한다면, 초임계 유체를 활용하는 공정을 더욱 정밀하게 설계하고 제어할 수 있다. 실제 산업에 쓰이는 초임계 유체는 대부분 비평형 흐름 상태이다. 이때 나타나는 미세 액체 클러스터는 세정력, 용해력, 열전달 효율 등에 큰 영향을 준다. 이는 반도체 세정 공정, 제약 공정과 식품 가공, 발전소 열유체 시스템, 로켓 엔진 개발 등 다양한 산업 분야에 중요한 시사점을 제공한다. 또한, 초임계 유체 상태로 존재하는 금성의 대기나 지구 지각 내부의 고온·고압 환경에서도 비슷한 유체 현상을 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

윤건수 교수는 “중성자 산란을 이용해 초임계 유체의 비평형 상 분리 현상을 실험적으로 밝힌 것은 처음”이라며, “이는 산업 공정뿐 아니라 행성 대기, 지각 내부 유체 등 자연계의 극한 환경 이해에도 도움이 될 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 물리학 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘커뮤니케이션스 피직스(Communications Physics)’에 게재됐으며, 한국연구재단의 지원을 받았다.

DOI: https://doi.org/10.1038/s42005-025-02263-2

1. 초임계 유체(supercritical fluid): 임계점 이상의 압력과 온도에 도달한 유체를 말한다. 유체의 종류에 따라 임계점은 다양한데, 이 카지노사이트 주소에서 사용된 크립톤의 경우 임계점은 약 섭씨 영하 60도, 55기압이다. 초임계 유체는 낮은 점성과 매우 높은 열전도율 및 화학적 활성도를 가진 것이 특징이며, 다양한 산업 분야에서 응용되고 있다.

2. 중성자 소각 산란(small-angle neutron scattering, SANS): 시료에 중성자를 쏘아 아주 작은 각도로 산란되는 신호를 측정하여, 나노미터 크기 구조 및 물질 특성을 분석하는 실험 기법이다.