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물과 기름은 섞이지 않는다. 이 둘을 유리병에 넣고 아무리 흔들어도 시간이 지나면 두 개의 층으로 분리된다. 물은 아래에, 기름은 위에 뜬다. 그런데 여기에 자석 가루를 넣었더니, 기름과 물 사이의 계면(서로 맞닿은 두 물질의 경계)이 항아리처럼 생긴 독특한 모양이 된다는 연구 결과가 4월 4일 국제학술지 ‘네이처 물리학’에 발표됐다. doi: 10.1038/s41567-025-02865-1

안소니 레이크 미국 메사추세츠 암허스트대 고분자과학 및 공학과 연구원은 “목적이 전혀 다른 실험을 위해 기름과 물의 혼합물에 니켈 가루를 넣었다가 이 현상을 발견했다”고 대학 유튜브 채널을 통해 밝혔다. 니켈은 강한 자성을 띠는 금속이다.

레이크 연구원의 발견은 기존 과학 법칙으로는 선뜻 이해할 수 없는 현상이었다. 원래라면 서로 섞이지 않는 두 액체는 그 사이의 계면 면적을 최대한 줄인 형태로 평형 상태에 이르러야 한다. 원통형 유리병에 담긴 물과 기름의 계면은 평편한 원 모양인 것도 같은 이유에서다. 그런데 항아리형 계면은 평면보다 계면 면적이 더 넓다.

이 현상을 설명하기 위해 미국 메사추세츠 암허스트대와 시라큐스대, 터프츠대 등 공동연구팀은 고속 카메라와 현미경을 이용해 계면에서 니켈 입자가 어떻게 움직이는지 살펴봤다. 자성과 이 현상 사이의 연관관계를 파악하기 위해 니켈 입자의 자성을 조절하며 실험을 반복했다. 그 결과, 니켈 입자의 자성 덕에 물과 기름의 경계면에서 계면 장력(계면을 형성하는 분자들이 서로 잡아당기는 힘)이 더 강해졌음을 밝혔다.

원래라면, 기름보다 무거운 물이 중력에 의해 아래로 모이면서 평편한 계면을 형성한다. 그런데 니켈 입자 덕에 계면장력이 강해지면서, 중력을 이기고 물을 계면과 유리벽 사이에 가둬버린 것이다. 레이크 연구원은 유튜브 채널을 통해 “이는 계면장력을 키울 수 있는 방법이 있음을 보여준 발견”이라며 “연구실에서 다양한 물질을 섞었더니, 전혀 상상할 수 없던 결과를 만난 흥미로운 케이스”라고 했다.

 

University of Massachusetts Amherst

안소니 레이크 미국 메사추세츠 암허스트대 고분자과학 및 공학과 연구원.

 

물과 기름, 그리고 니켈이 만든 항아리 모양 계면 

미국 메사추세츠 암허스트대 연구팀은 물과 기름, 그리고 니켈 가루를 섞은 혼합액이 강하게 섞인 뒤에 항아리처럼 생긴 독특한 모양의 계면을 형성한다는 사실을 밝혔다. 

Nature Physics