롤링 입자는 현탁액을 더 유동적으로 만든다

ETH 취리히 재료과학 연구진은 최초로 마이크로미터 크기의 미세 입자의 구름 마찰력을 측정하고 있습니다. 이러한 측정을 통해 콘크리트와 같은 일상 제품에 대한 이해를 높일 수 있습니다.

래커, 페인트, 콘크리트, 심지어 케첩이나 오렌지 주스까지: 현탁액은 산업계와 일상생활에서 널리 사용됩니다. 재료과학자들이 말하는 현탁액이란 작고 불용성인 고체 입자가 고르게 분포된 액체를 의미합니다. 이러한 혼합물의 입자 농도가 매우 높으면, 우리가 액체에 대해 일반적으로 알고 있는 것과 상반되는 현상이 관찰될 수 있습니다. 예를 들어, 이러한 비뉴턴 유체는 강한 힘이 작용하면 갑자기 점성이 커집니다. 잠시 동안 액체는 고체처럼 거동합니다.

이러한 갑작스러운 농도 증가는 현탁액에 존재하는 입자들 때문에 발생합니다. 현탁액이 변형되면 입자들은 스스로 재배열해야 합니다. 에너지 관점에서 볼 때, 가능하면 입자들이 서로 굴러가도록 하는 것이 더 유리합니다. 여러 입자가 서로 엉켜 붙어 더 이상 굴러갈 수 없을 때만, 입자들은 서로 미끄러져 움직여야 합니다. 그러나 미끄러지려면 훨씬 더 큰 힘이 필요하기 때문에 액체는 거시적으로 더 점성 있는 것처럼 느껴집니다.

따라서 미시적으로 작은 규모에서 발생하는 상호작용은 전체 시스템에 영향을 미치고 현탁액의 흐름을 결정합니다. 현탁액을 최적화하고 흐름 특성에 구체적으로 영향을 미치기 위해 과학자들은 개별 입자 사이의 마찰력의 크기를 이해해야 합니다.

루시오 이사(Lucio Isa) 계면 및 연성물질학과 교수가 이끄는 ETH 소재 연구진은 직경이 불과 몇 마이크로미터인 개별 입자 사이의 마찰력을 측정하는 방법을 개발했습니다.

연구진은 소위 원자간력 현미경(AFM)을 사용하여 측정했습니다. 박사과정 학생인 사이먼 셰러(Simon Scherrer)는 먼저 하나의 구형 입자를 포획하는 데 사용되는 미세한 홀더를 개발했습니다. 그런 다음, 원자간력 현미경을 사용하여 이 "포획된" 입자를 입자와 동일한 특성을 가진 평평한 표면 위로 이동시켰습니다. 이렇게 하여 연구진은 서로 스쳐 지나가는 두 입자를 모방하고 표면 사이의 미세한 힘을 측정할 수 있었습니다.

조사된 입자는 직경이 12마이크로미터, 즉 1200만분의 1미터에 불과할 정도로 매우 작았습니다. 따라서 입자에서 발생하는 구름 마찰을 측정할 적절한 측정 기법을 개발하는 것도 어려웠습니다. 특히 적합한 홀더를 만드는 것이 어려웠습니다. 셰러는 "요건을 충족하는 홀더를 찾기 전까지 50개 버전을 개발했을 겁니다."라고 밝혔습니다.

연구진은 작은 입자의 표면이 현탁액의 거동에 어떤 영향을 미치는지 이해하기 위해 다양한 입자를 만들었습니다. 셰러는 "매끄럽거나 매우 미끄러운 표면을 가진 입자들은 아무리 세게 눌러도 서로 미끄러져 나갔습니다."라고 설명했습니다.

거칠거나 끈적끈적한 입자의 경우는 상황이 매우 달랐습니다. 이러한 입자들은 톱니바퀴처럼 서로 맞물려 거의 저항 없이 회전하기 때문입니다. 마지막으로, 연구진은 입자들을 홀더에 고정하여 미끄럼 마찰력을 측정했습니다. 이 마찰력은 구름 마찰력보다 몇 배나 높았으며, 이것이 현탁액의 급격한 두께 증가를 설명해줍니다.

연구진은 측정 결과를 바탕으로 각 입자의 구름 마찰 계수와 미끄럼 마찰 계수를 직접 도출할 수 있었습니다. 이 수치는 컴퓨터 모델에서 입자 비율이 높은 현탁액을 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있으며, 이를 통해 최적의 유동 특성을 결정할 수 있습니다. 증점의 근본 원인인 미시적 메커니즘에 대한 이러한 통찰력은 산업, 건설 또는 일상생활에서 현탁액을 최적화하는 새로운 접근법을 제시합니다.

콘크리트 산업이나 마이크로일렉트로닉스 제조업체 등이 수혜를 입을 것으로 예상됩니다. 후자는 이미 금속 전도성 입자가 함유된 고밀도 현탁액을 사용하여 부품을 회로 기판에 납땜하고 있습니다. 솔더 페이스트는 좁은 노즐을 통해 압착됩니다. 압력이 너무 높으면 페이스트가 갑자기 걸쭉해져 노즐이 막힐 수 있습니다.

"이러한 현상을 방지하고 현탁액을 최적화하려면 입자가 미세 수준에서 어떻게 작용하는지, 그리고 그 과정에서 어떤 힘이 발생하는지 정확히 알아야 합니다."라고 이사는 말합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250410130922.htm