物理學者는 茶盞 속에서도 流體力學을 본다. 園頭를 갈 때 물을 한 스푼 넣으면 왠지 커피가 더 맛있게 느껴진다거나, 茶盞 속 茶잎의 움직임이 時間에 따라 달라지는 現象 모두 科學者들에겐 훌륭한 硏究對象이다. 所重한 카페인 充電 時間일 뿐만 아니라 硏究對象까지 돼 버린 티타임 속 科學 이야기를 紹介한다.
1. 커피 그라인더 속 천둥번개
"커피 한盞 마시고 나니 論文이 나왔다는 事實이 웃기죠?"
조슈아 멘데즈 하퍼 當時 美國 오리건대 地球科學科 硏究員(現 美國 포틀랜드州立大 電氣컴퓨터工學科 敎授)李 報道資料를 통해 말한 그대로다. 하퍼 硏究員은 火山에서 發生하는 번개 等 電氣現象에 對해 硏究하는 火山學者다.
그와 크리스토퍼 헨든 오리건대 化學科 敎授가 함께 2024年 1月 3日 發表한 硏究 結果는 커피를 갈 때 發生하는 摩擦帶電 現象을 다룬다. 化學과 火山學, 사뭇 다른 두 硏究分野가 만난 곳은 다름 아닌 커피였던 것이다. (doi: 10.1016/j.matt.2023.11.005)
헨든 敎授의 硏究팀에는 '커피 硏究室'이라는 別名이 있다. 말 그대로 커피를 主題로 다양한 硏究를 하는 이곳에서는 週期的으로 다른 分野의 硏究員들을 招待한 커피 모임을 연다.
이 자리에 參與한 하퍼 硏究員은 커피를 갈 때 그라인더 속에서 靜電氣가 發生하는 모습을 보며 火山活動에서 發見되는 번개를 떠올렸다. 火山活動이 벌어질 때 마그마는 작은 粒子 여러 個로 쪼개진 다음 서로 摩擦하며 摩擦電氣를 만든다. 粒子에 帶電된 電荷量이 充分히 蓄積되면 번개가 發生한다.
美國 오리건대 硏究팀이 考案한 커피 그라인더 電荷量 測定 裝置. 커피 콩이 커피 그라인더의 커피 콩 保管函 아랫쪽 傾斜路를 따라 구르면서 電荷를 蓄積하면 패러데이 컵에 받아 粒子의 電荷量을 測定한다. Matter 提供
비슷한 現象이 커피 그라인더 속에서도 일어난다. 粉碎된 커피 粒子들이 서로 부딪히며 摩擦電氣를 만들었다는 것이 硏究팀의 說明이다. 그 結果 電荷를 띤 커피 가루가 서로 뭉치거나 밀어내면, 커피를 抽出할 때 고루 抽出되지 않는 惡影響이 생긴다. '커피 그라인더 속 천둥번개'를 防止하기 위해선 어떻게 해야 할까. 硏究팀이 낸 解答은 意外로 簡單하다. 커피 콩을 갈기 前에 물을 한 숟갈 넣는 것. 커피 콩의 水分含量이 높을수록 摩擦電氣가 덜 發生하기 때문이다.
2. 化學工學者는 커피 속에서 工場을 본다
"流動層이 뭔지 모르겠다고요? 커피 내려 본 적 있죠?"
化學工學을 專攻한 記者가 大學時節 助敎에게 實際로 들은 말이다. 커피를 내리는 過程은 아주 完璧한 化學工程의 例示다. 液體(=물)를 흘려보내 原料로부터(=커피가루) 化學物質(=카페인 等)을 抽出하기 때문이다. 助敎가 說明하려던 '流動層'도 마찬가지다. 流動層은 작은 固體 알갱이들이 마치 流體처럼 움직이는 地點을 말한다. 커피를 내릴 때 물과 混合된 커피가루가 마치 流體처럼 움직이는 것 또한 流動層의 一種이다.
커피 내리는 過程을 數理物理學 모델을 利用해 分析한 硏究도 있다. 아일랜드 리머릭臺 合成 및 固體狀態 藥學 硏究센터 硏究팀은 커피를 내리는 過程 속에서 커피가루 사이를 移動하는 流體의 흐름에 따라 커피가 얼마나 均一하게 抽出되는지 實驗과 컴퓨터 모델링을 통해 分析했다.
硏究팀은 "分析 結果 커피 粒子의 크기, 커피 抽出 方式 等에 따라 커피의 濃度가 달라 旣存 브루잉 컨트롤 차트에는 限界가 存在함이 드러났다"면서 "이番 硏究를 통해 찾은 數理物理學 모델은 커피뿐만 아니라 多樣한 抽出 또는 濾過 시스템에서 活用할 수 있을 것"이라고 說明했다. (doi: 10.1371/journal.pone.0219906)
3. 半導體 工程에 活用되는 커피 링 效果
커피를 흘린 痕跡을 有心히 살펴본 科學者들도 있다. 커피 흘린 자국을 잘 살펴보면 자국 가장자리가 中間보다 色이 더 짙다는 걸 發見할 수 있다. 科學者들은 이 現象에 '커피 링 效果(Coffee ring effect)'라는 이름을 붙였다. 커피 속 水分이 蒸發하며 남는 이 자국을 理解하기 위해선 馬郞고니 흐름이란 槪念을 알아야 한다.
馬郞고니 흐름은 液體의 表面張力에 依해 생긴다. 板 위에 떨어진 물방울의 模樣을 떠올려보자. 물은 表面張力이 剛한 液體라, 물방울은 半球 形態를 이룬다. 이때 물은 가장자리부터 蒸發하는데, 그러면서 半球 形態를 維持하기 위해 물 分子와 그 속의 不純物까지도 물방울 가장자리로 向하는 흐름이 생겨난다. 이를 馬郞고니 흐름이라고 부른다.
커피 링 效果를 利用해 얇은 나노粒子 膜을 만드는 過程 (蒸發 速度가 빠를 時 粒子가 膜 形態로 쌓임). Advances in Colloid and Interface Science 提供
커피의 境遇에도 馬郞고니 흐름이 觀察된다. 커피 속에는 물뿐만 아니라 커피가루度 함께 包含돼 있으니 물이 가장자리로 向할 때 커피가루度 함께 移動한다. 그 結果 가장자리에 커피가루가 쌓인 모습의 자국이 남는 것이다.
물과 함께 混合된 가루가 물방울이 마르면서 가장자리부터 表面에 달라붙는 커피 링 效果는 다양한 産業 分野에서 活用된다. 나노粒子를 아주 얇은 膜 形態로 씌우는 半導體 工程이나 코팅 工程 等이 代表的 事例다.
4. 아인슈타인이 이런 硏究도? 茶잎 패러독스
디스코 팡팡을 떠올려보자. 빙글빙글 돌아가는 圓盤 위 사람들은 모두 圓 가장자리로 쏠린다. 圓 바깥으로 向하는 慣性力人 遠心力 때문이다. 이番엔 茶盞을 떠올려보자. 茶잎이 동동 떠 있는 茶盞에 숟가락을 넣고 휘휘 저으면 茶잎은 어디로 移動할까.
位 質問에 '디스코 팡팡 속 사람들처럼 茶盞 壁에 붙는다'는 答을 떠올렸다면 當身은 틀렸다. 茶잎은 오히려 茶盞 가운데로 몰린다. 이 問題가 바로 數十年 間 科學者들을 괴롭힌 '茶잎 패러독스'다. 茶잎 패러독스에 對한 完全한 解答을 처음 提示한 건 알버트 아인슈타인이다. 아인슈타인은 1926年 한 篇의 論文을 통해 茶잎 패러독스가 茶盞과 車 사이의 摩擦力 때문에 發生한다는 事實을 밝혔다. (doi: 10.1007/BF01510300)
아인슈타인의 說明은 이렇다. 茶盞 속 茶를 휘저으면 처음에는 求心力에 따라 流體가 茶盞 가장자리 쪽으로 흘러 茶盞 바닥으로 내려간다. 그런데 茶盞 바닥에 가까워질수록 流體의 흐름이 느려진다. 流體가 茶盞과 만나며 생기는 摩擦力 때문이다. 느려진 流體의 흐름은 茶盞 가운데에서 다시 위로 向한다. 그 結果 茶잎이 茶盞 가운데에 몰린다.
'이런 걸 왜 굳이 論文까지 낼 만큼 硏究한담?'이란 생각은 禁物. 茶잎 패러독스는 오늘날 血液에서 赤血球를 分離하는 過程에도 活用된다. 血液을 擴大해 살펴보면 赤血球가 血漿 위를 동동 떠다니는 모습이다. 마치 茶잎이 떠다니듯! 따라서 血液을 휘휘 저어 赤血球가 血液이 담긴 圓筒 한가운데에 몰리도록 하면 赤血球를 쉽게 分離할 수 있다. 車 한 盞도 虛套루 보지 않아야 하는 理由가 여기 있다.
5. 서울大 硏究팀이 밝힌 '조용히 車 따르는 法'
茶酒煎子로 茶를 따를 때 물소리를 最大限 작게 내려면 물줄기는 두껍게, 酒煎子는 可能한 茶盞과 가깝게 하는 게 좋다. 김호영 서울대 機械工學部 敎授팀은 물을 따르는 소리를 實驗的으로 分析한 硏究 結果를 2023年 12月 21日 國際學術誌 '피지컬 리뷰 플壘이즈'에 發表했다. (doi: 10.1103/PhysRevFluids.8.L122002)
硏究팀은 물로 가득 찬 지름 10cm의 圓筒에 굵기가 서로 다른 물줄기를 흘려보냈다. 그리고 水中마이크를 利用해 이때 發生하는 소리를 測定하고 카메라로 물이 떨어질 때 圓筒 內部의 거품과 流體의 흐름을 撮影했다. 그 結果, 물 속으로 떨어지는 물줄기가 갈라질수록 물이 떨어지는 소리가 더 크다는 事實을 밝혔다. 물소리는 물줄기가 가늘수록 더 컸다.
硏究팀은 물을 따를 때 發生하는 소리 크기 差異가 물줄기가 만드는 空氣방울의 크기에 따라 달라진다고 說明했다. 물 속에서 空氣방울이 더 많이 發生할수록 소리가 더 크다는 뜻이다. 金 敎授는 美國의 言論社와의 인터뷰에서 "물줄기를 얇게 維持하며 조심스럽게 부어서 車를 조용히 내주려는 試圖를 하는데 이는 別로 成功的인 接近法이 아닐 수 있다"고 說明했다.
물의 溫度 또한 물소리에 따라 바뀐다. 물소리가 크면 空氣방울과 더 많이 섞인다는 뜻이므로 물소리가 클수록 車가 더 잘 식는다고 解釋할 수 있다. 뜨거운 飮料를 잘 마시지 못한다면, 茶를 내오는 店員에게 車를 요란스럽게 따라 달라고 要請해보는 건 어떨까. 科學이 티타임에 이렇게 이롭다.
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