중국과학기술대학교 Wang Feng-chao(王奉超) 연구팀과 영국 맨체스터대학교 안드레 가임 (Andre Geim) 연구팀은 공동으로 나노 가둠(Nano confinement) 모세관 응축에 관한 새로운 이론을 창립함으로써 켈빈 방정식의 적용성을 서브나노미터 스케일로 확장했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다.
모세관 응축은 모세관 통로 가둠 공간 내의 가스가 과포화 상태에 도달하지 않아도 응축이 발생하여 액체로 전환되는 현상을 말한다. 모세관 응축은 거시적 고체-액체 계면의 습윤 및 미시적 분자 간 역학적 작용과 관련이 있다. 또한 나노 가둠 역학의 핵심 과학 과제이고 아울러, 현재 중규모 과학의 국제 프런티어 이슈이다.
켈빈 방정식은 모세관 내 만곡된 액체-가스 계면으로 인한 증기압 변화를 설명하며 고체-액체 계면 습윤 분야의 3가지 고전적 이론 중 하나이다. 그러나 통로 직경이 물분자 크기로 축소될 경우, 실험 관찰의 어려움이 커서 켈빈 방정식에서 채택되는 메니스커스(Meniscus) 곡률, 접촉각 등 개념을 정확하게 정의하기 어렵다. 나노 스케일에서 켈빈 방정식을 수정하는 방법은 줄곧 학계의 관심사이다.
연구팀은 2차원 재료로 구성된 나노 통로 소자를 이용하여 실험을 수행했다. 벽면 변형을 통해 모세관 응축 현상을 특징하고 실험 결과와 역학적 메커니즘에 대해 합리적으로 설명했다. 해당 연구는 고체-액체 계면 에너지의 사이즈 효과를 규명하고 나노/서브나노 스케일의 모세관 응축에서 통상적으로 생각하는 액체-가스 계면이 주도적 작용을 하는 것이 아니라 고체-액체 계면의 역학적 작용이 중요한 역할을 함을 발견했다. 해당 발견을 기반으로 연구팀은 나노 가둠 모세관 응축의 새로운 이론을 창립하고 고전적 켈빈 방정식을 수정했으며 방정식의 적용성을 서브나노 스케일로 확장했다.
해당 연구 성과는 극한 스케일하의 모세관 응축 현상에 대한 인식과 이해를 위한 기반을 마련했을 뿐만 아니라 마이크로 전자, 제약, 식품 등 기타 산업 분야에서도 중요한 실제 응용 전망을 가진다.

정보출처 : https://www.cas.cn/cm/202012/t20201210_4770264.shtml