위스키의 흥미로운 입자 패턴

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-01
위스키 잔에 남아있는 건조한 원형 패턴을 본다면, 몇몇은 그것이 놀랄 만큼 아름답다는 것을 느낄 것이다. 그렇다면, 위스키의 입자 패턴 뒤에는 어떠한 흥미로운 비밀이 감추어 있을까? 피닉스의 사진작가이자 예술가인 Ernie Button(www.erniebutton.com)은 한 두 방울의 위스키가 유리잔 바닥에서 건조되고 증착되어 만드는 아름다운 패턴을 만든다. 그는 또한 이와 같은 현상의 물리적인 이유에 대하여 흥미를 느껴서 프린스턴 대학교의 기계항공학과에서 유체를 연구하는 Howard Stone 교수를 찾았다. 11월 23~25일, 샌프란시스코에서 열릴 미국 물리학회의 유체 역학 회의에서 이 그룹은 위와 같은 특별한 패턴을 연구하면 발견한 것과 “Marangoni 효과”라고 알려진 표면 장력 구배(surface tension gradient)에 의한 영향에 대하여 발표할 것이다. “보기에는 투명한 액체가 사라지고 난 뒤에 보여주는 명확한 패턴과 리듬은 나에게 무척 경이롭다. Stone 교수와 그의 연구진은 고맙게도 내 질문을 인정해주었고 이 현상에 대한 나의 이해에 많은 도움을 주었다”고 Button은 말한다. Button의 탐구에 영향을 받아 위스키에 의하여 남겨진 패턴을 이해하기 위하여 Stone은 이 현상이 접촉선에서 패턴이 만들어지거나 흐름과 관련되었을 것이라고 생각했다. 이것이 또한 그들의 연구가 보여주는 것이었다. “우리 연구진은 위스키의 구성요소를 더 잘 이해하고자 했고, 가능한 현탁 물질을 확인하고자 했으며 또한 증발 과정에서 패턴의 형태와 모양을 이해하기 위하여 제어 가능한 모델 실험을 하고자 했다”고 Stone은 말했다. “오직 적은 분량의 고체를 가지는 단일 구성의 액체를 말리는 것은 연구가 잘 되었으며 이것은 일반적인 “커피 고리 효과(coffee ring effect)”라고 알려진 현상을 이끈다. 또한, 알코올과 물의 혼합액의 증발은 포도주잔이나 다른 강한 술의 포도주의 “눈물” 같은 흥미로운 유체 운동을 이끈다. “그러나 놀랍게도, 알코올과 물 혼합액의 액적의 증발에 관한 연구과 해당되는 흐름 패턴에 대한 연구가 아주 적었다”고 Stoner 그룹의 박사후연구원인 Hyoungsoo Kim이 말했다. 그래서 그들은 몇 가지 실험을 하기로 결정했다. 물과 알코울 홉합액의 농축과 흐름 패턴과 현탁 입자로부터 최종 마른 액적까지 연구하기 위하여 Kim과 그의 동료들은 실제 위스키의 마르는 액적의 비디오 현미경을 통한 연구와 위스키의 대표로 알코올과 물의 혼합액의 비디오 현미경 영상을 비교했다. (일반적인 위스키는 40%의 에탄올과 60%의 물로 구성되어 있다.) 그들은 무엇을 발견했을까? 처음에 알코올-물 혼합액의 액적은 복잡한 혼합 흐름을 만들었다. 에탄올이 증발하고, 물과 비교해서 낮은 증기압 때문에 에탄올이 없어지면서 방사형 패턴이 만들어졌다. 다음에 에탄올 농측이 증가함에 따라 후퇴 접촉 선의 유동성이 또한 증가했다. 그리고 높은 에탄올 농축에서는 접촉 선이 후퇴하여 입자 그룹이 선을 따라 만들어져서 고리 모양의 패턴으로 증착되었다. “알코올-물 혼합액은 Marangoni 효과에 의하여 원형 흐름 패턴을 보여준다. 이것은 위스키 증발에서 영향을 받고 혼합액이 말라가는 과정에서 일어난다. 진짜 위스키에서의 증착은 준비과정에서 보이는 적은 양의 내재된 원형 물질 때문에 일어난다”고 Kim이 말했다. 비록 숙성 정도가 다른 같은 위스키를 사진을 찍었을 때 별다른 다른 점이 없었음에도 Button은 위스키에 의하여 보여주는 그 고리의 분명함은 숙성과정과 위스키가 담겨진 나무통에서 빨아드린 물질과 관련 있을 것이라고 생각한다. Stone의 연구진이 행한 연구는 넓은 의미를 지닌다. 왜냐하면, 많은 상업적 응용이 입자의 박막 증착을 제어하고자 하기 때문이다. “’커피 고리 효과’의 큰 제약은 입자가 균일하게 배열되지 않는 것이다. 우리는 최근의 연구 논문에서 혼합액으로부터 균일한 증착이 가능하다는 것을 배웠다. 그래서 우리는 잘 제어된 혼합물로 시험해서 여러 단계의 증착을 연구할 것”이라고 Kim이 말했다. (그림) 위스키의 얇은 막은 입자 패턴을 만든다. 만은 경우 유리잔 안의 황색의 스카치를 볼 수 있다. 사진작가이자 예술가인 Ernie Button이 Macallan 101 위스키의 패턴을 사진으로 담았다. Whisky.jpg http://phys.org/news/2014-11-exploring-amazing-patterns-left-whisky.html