섭섭박사님이 실험에 사용한 그릇을 정리하기 위해 싱크대에 가득 쌓아둔 설거지를 하고 있었어요. 그러다 문득 뽀글뽀글 피어나는 비눗방울이 눈에 들어왔지요. 이를 보더니 그릇을 씻다 말고 갑자기 어디론가 사라지는 섭섭박사님! 무슨 생각이 떠오르신 걸까요?
☞ 어떻게 된걸까?
결과 : 드라이아이스가 승화하며 큰 비눗방울을 만든다.
드라이아이스는 고체 상태의 이산화탄소예요. 물이 얼면 얼음이 되듯 아주 높은 압력과 낮은 온도에서 이산화탄소를 압축하면 드라이아이스가 되지요. 영하 78.5℃의 드라이아이스는 열을 가했을 때 액체상태를 거치지 않고 고체에서 바로 이산화탄소 기체로 변화하는 승화성을 띠는 것이 특징이에요. 이때 드라이아이스에서 만들어진 이산화탄소 기체는 비누 막 밖으로 빠져나오지 못하기 때문에 비누 막은 점점 부풀어 큰 비눗방울을 만들어낸답니다.
한편, 드라이아이스가 기체로 승화하는 동안 주위로부터 열을 흡수하며 주변 온도를 빠르게 낮춰요. 이 때문에 공기 속에 있던 수증기가 급속히 냉각되며 물방울을 만들어내고 안개 같은 흰 연기를 발생시키지요.
세제는 대표적인 계면 활성제예요. 물과 친한 친수성, 기름과 잘 섞이는 소수성 부위를 모두 가지는 화학물질이지요. 계면 활성제는 물과 기름을 분리할 수 있는 특성이 있어 특정 성질의 물질을 분리해 이동시키거나 전달하는 차세대 소재로 주목받고 있어요.
지난 2018년, 기초과학연구원 바르토슈 그쥐보프스키 연구팀은 자기장, 빛, 전기에 모두 반응하는 나노입자 계면 활성제를 만들어 발표했어요. 외부 자극으로 액체방울을 조종하는 연구는 기존에도 있었지만, 다양한 자극에 모두 반응하는 나노입자 계면 활성제를 만든 건 이번이 처음이에요.
연구팀은 친수성 부위에 금, 소수성 부위에 산화철 나노입자를 사용해 눈사람 형태의 계면 활성제를 만들었어요. 연구팀이 레이저 빔을 비추자 나노입자는 빛을 흡수하며 액체를 따뜻하게 데워 대류 현상을 일으키고, 레이저 빔 주위로 액체방울이 모이게 했어요(➊). 또, 이것으로 만든 액체방울은 자성을 가져 자석을 갖다 대면 그 주위로 모였어요(➋). 마지막으로 전기장을 가하자 액체방울을 둘러싼 계면 활성제가 위아래로 분리되며 빈틈을 통해 내부 물질도 교환했어요(➌). 연구팀은 “액체방울에 약물을 가둬 원하는 곳에 이동시키는 등 전달체로 활용할 수 있을 것”이라고 말했답니다.
☞ 어떻게 된걸까?
결과 : 장갑을 끼고, 글리세린을 첨가하자 비눗방울이 잘 터지지 않는다.
액체가 표면적을 작게 하려는 힘을 표면장력이라고 해요. 물은 물 분자끼리 서로 끌어당기는 힘이 강해 표면장력이 크지요. 이 때문에 표면적이 큰 방울을 만들지 못하고 이내 금세 터져버려요. 하지만 계면 활성제인 세제를 풀면 물의 표면장력이 약해져 물방울에 비해 비눗방울은 잘 터지지 않지요.
이렇게 만든 비눗방울도 수분이 증발하면 터져요. 맨손에 비눗방울을 불면 체온으로 수분이 더 빨리 증발해 쉽게 터지지요. 하지만 장갑을 끼면 비누 막까지 체온 전달이 더뎌 증발이 느리게 일어나고 더 오랜 시간 모양을 유지할 수 있어요.
또, 세제 물에 투명한 점성 액체인 글리세린을 넣어주어도 비눗방울이 오랫동안 터지지 않고 모양을 유지하는 데 도움이 돼요. 점성이 강한 글리세린이 수분이 날아가는 것을 막아주기 때문이랍니다.
