미세기포를 조작하여 유체 제어

"주목받는 냄비는 절대 끓지 않는다"라는 옛말이 있지만, 우리 중 많은 사람들은 적어도 냄비를 지켜보며 끓기 시작할 때까지 기다려 왔습니다. 마침내 끓어오르는 모습을 보는 것은 만족스러운 일이며, 그 이면에는 복잡한 물리적 메커니즘이 작용하고 있습니다.

이런 현상이 일어나면 형성되는 기포의 모양과 크기가 끊임없이 변합니다. 이러한 역동적인 움직임은 주변 유체 흐름에 영향을 미쳐 열원에서 물로의 열 전달 효율에 영향을 미칩니다.

세포 분류와 같은 의학 및 화학 분야에서 다량의 샘플을 처리하려면 소량의 액체를 고속 및 고속으로 조작하는 것이 필수적입니다. 미세기포의 진동은 흐름과 음파를 생성하여 액체 조작에 도움을 줄 수 있습니다. 그러나 여러 기포의 집합적인 거동과 상호작용에 대한 이해가 부족하여 그 응용 분야가 제한적이었습니다.

교토 대학의 연구팀은 거품의 움직임을 더 잘 이해하고자 레이저 광선을 사용하여 탈기된 물을 광열로 가열하여 미세 거품 사이의 거리를 정확하게 조절하는 실험 장치를 개발했습니다.

첫 번째 저자인 쉬안웨이 장(Xuanwei Zhang)은 "우리는 거품의 배열을 조정하는 것만으로 액체 흐름을 근본적으로 바꾸는 새로운 방법을 확립할 수 있었습니다."라고 말했습니다.

연구팀은 직경 약 10마이크로미터 크기의 두 개의 기포를 생성하여 MHz 미만의 주파수에서 자발적으로 진동하는 데 성공했습니다. 이 기포들의 진동이 서로에게 어떤 영향을 미치는지 연구했습니다. 이 장비를 이용하여 연구진은 MHz 미만의 주파수에서 기포의 빠른 움직임과 주변 흐름을 정밀하게 제어할 수 있었습니다.

결과를 이론 방정식과 비교한 결과, 연구팀은 각 기포의 진동으로 발생하는 압력이 기포 간의 상호작용을 설명한다는 것을 발견했습니다. 인접한 기포들은 진동이 동기화되며, 기포 간 거리를 10마이크로미터만 변경해도 진동 주파수가 50% 이상 변한다는 것을 발견했습니다.

교신저자인 나무라 교코는 "진동하는 두 기포 사이에 이렇게 명확한 진동 결합이 관찰될 줄은 예상하지 못했지만, 우리가 생성한 기포의 진동은 시간이 지나도 매우 안정적이고 재현성이 높았습니다."라고 말했습니다. 이러한 특성 덕분에 연구팀은 두 기포의 상대적 위치가 약간만 조정되어도 진동 변화를 포착할 수 있었습니다.

본 연구 결과는 빠른 분석과 데이터 수집이 필수적인 의학 및 화학 분야에 새로운 유체 제어 도구를 제공합니다. 연구팀은 탈기된 물을 사용했지만, 물-알코올 혼합물에서도 유사한 효과를 얻을 수 있어 이 방법은 광범위한 응용 분야에 적용 가능합니다.

앞으로 연구팀은 거품의 진동 주파수와 모드를 적극적으로 선택하고, 더 큰 거품 배열을 제어하고, 거품 주변에서 생성되는 음파와 흐름을 분석하는 방법을 탐색할 계획입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250502102915.htm