나노입자와 계면활성제가 전단 흐름 속 액적에 미치는 영향

초록

본 연구는 격자볼츠만법(LBM)을 이용해 3차원 수치 시뮬레이션을 수행하고, 액체‑액체 계면에 첨가된 계면활성제와 나노입자의 역할을 비교한다. 계면활성제는 표면 장력을 감소시켜 캡릴러리 수치를 낮추지만, 나노입자는 장력에 직접적인 영향을 주지 않는다. 대신 입자는 계면 자유 에너지를 변화시키고, 전단이 가해질 때 특정 영역에 클러스터를 형성한다. 전단 속도가 증가할수록 입자는 중간부에서 가장 빠르게 회전하며, 캡릴러리 수가 커질수록 변형이 커지고 파열이 용이해진다. 작은 변형 영역에서는 테일러의 변형 법칙이 그대로 적용된다.

상세 분석

이 논문은 두 종류의 계면 첨가제—계면활성제와 고체 나노입자—가 유동 중인 액적의 역학에 미치는 영향을 정량적으로 규명한다. 격자볼츠만법을 기반으로 한 3차원 시뮬레이션은 복잡한 인터페이스 변형과 입자 이동을 고해상도로 포착한다는 점에서 기존 2차원 혹은 평균화된 모델보다 뛰어난 물리적 충실도를 제공한다. 첫 번째 주요 결과는 계면활성제가 전형적인 표면 장력 감소 효과를 보이며, 이는 캡릴러리 수(Ca) 정의에 직접 반영된다. 반면, 나노입자는 자체 질량과 관성 때문에 표면 장력 자체는 변하지 않지만, 입자들이 차지하는 면적과 배치가 인터페이스의 자유 에너지를 재분배한다는 점이 강조된다.

전단 흐름 하에서 입자들은 균일하게 퍼지지 않고, 전단 방향에 수직인 ‘고리형’ 영역에 집합한다. 이러한 클러스터는 전단이 지속되는 한 안정적으로 유지되며, 입자 간 상호작용과 유체의 전단 응력 사이의 균형에 의해 형성된다. 흥미롭게도, 개별 입자는 클러스터 내부를 자유롭게 회전하는데, 회전 주기는 전단 속도와 캡릴러리 수가 증가함에 따라 가속된다. 특히, 액적 중앙부(전단면에 수직인 위치)에서 회전 빈도가 가장 높으며, 이는 전단에 의해 발생하는 전단 응력이 가장 크게 작용하는 영역과 일치한다.

변형 측면에서는 작은 Ca 영역에서 테일러의 선형 변형 법칙(Deformation ≈ 19 Ca/16 + O(Ca³))이 그대로 적용된다. 이는 계면활성제와 나노입자 모두가 첨가된 경우에도 변형‑Ca 관계가 동일함을 의미한다. 그러나 Ca가 일정 수준을 초과하면, 입자 질량에 의한 관성 효과가 비선형적으로 작용해 변형을 더욱 크게 만든다. 결과적으로, 입자 함유 액적은 동일한 전단 조건에서 순수 액적보다 먼저 파열된다. 이는 입자 클러스터가 전단 응력을 집중시키고, 인터페이스의 국부적 얇아짐을 초래하기 때문이다.

이러한 발견은 마이크로플루이딕스, 에멀전 안정화, 그리고 고체‑액체 복합재 설계에 실질적인 함의를 제공한다. 예를 들어, 입자 기반 계면 강화가 필요한 경우 전단 조건을 조절해 클러스터 형성을 억제하거나, 입자 크기·밀도를 최적화해 관성 효과를 최소화할 수 있다. 또한, 계면활성제와 입자를 동시에 사용할 경우, 표면 장력 감소와 관성 증가가 상쇄되는 복합 효과를 설계적으로 활용할 여지가 있다.