빛과 물이 일으키고 빛과 물에서 일어나는 것이 지구 생태계가 얼마나 많은 생명체들을 품을 수 있는지를 좌우한다. 바로 그 빛과 물에 대해서 아주 중요한 사실이 밝혀졌다. 여태껏 인간은 열만이 물을 증발시킨다고 알고 있었다. 이제 열만이 아니라 빛도 물을 증발시킨다는 것을 알게 되었다. 빛이 물에 흡수되어 열을 발생시키지 않고 단순히 물의 표면에 충돌하는 것만으로도 물이 증발된다는 것을 알게 되었다. 이 새로운 발견으로 인해 기후변화를 더 정확히 이해할 수 있게 될 것이고 해수 담수화 공정과 건조 공정의 개선을 비롯한 많은 실용적 응용의 문이 열릴 것이라고 한다. 그런데 역시나 이 획기적 발견의 주인공들은 모두 중국계 과학자들이다.
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https://news.mit.edu/2024/how-light-can-vaporize-water-without-heat-0423

어떻게 빛이 열 없이도 물을 증발시키는가

MIT 연구진이 발견한 놀라운 "광분자 효과"는 기후 변화 계산에 영향을 미칠 수 있으며 담수화 및 건조 공정의 개선으로 이어질 수 있다

데이비드 L. 챈들러 | MIT 뉴스
게시 날짜: 2024년 4월 23일
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바다와 호수의 표면에서 물이 증발하고, 아침 햇살에 안개가 타며, 소금기가 있는 연못이 말라서 단단한 소금이 남는 것은 가장 기본적인 [자연] 과정이다. 증발은 우리 주변에서 일어나고 있으며, 인간은 인류가 존재하는 한 증발을 관찰하고 그것을 활용해 왔다.

하지만 우리는 그동안 증발의 중요한 부분을 놓치고 있었던 것으로 밝혀졌다.

MIT 연구팀은 일련의 정교하고 정밀한 실험을 통해 열만이 물을 증발시키는 것이 아니라는 사실을 밝혀냈다. 공기와 물이 만나는 물의 표면에 빛이 닿으면 물 분자가 부서져 공기 중으로 떠오르면서 열원이 없을 때 증발이 일어날 수 있다.

이 놀라운 새로운 발견은 여러 가지 중요한 의미를 가질 수 있다. 햇빛이 구름에 미치는 영향에 대한 수년간의 신비한 측정치를 설명하는 데 도움이 될 수 있으며, 따라서 기후 변화가 구름 덮개와 강수량에 미치는 영향을 계산하는 데 영향을 미칠 수 있다. 또한 태양광을 이용한 담수화나 재료 건조와 같은 산업 공정을 설계하는 새로운 방법으로 이어질 수도 있다.

이 연구 결과와 현상의 실체와 작동 원리를 보여주는 다양한 증거는 칼 리처드 소더버그 전력공학과 강 첸 교수, 박사후 연구원 광신 리우와 야오동 투, 대학원생 제임스 장의 논문에서 오늘 미국 국립과학원회보(PNAS) 저널에 소개되었다.

저자들은 이 연구가 그 효과가 구름에서 안개, 바다, 토양, 식물 표면에 이르기까지 자연에서 광범위하게 일어날 수 있으며 에너지 및 깨끗한 물 생산을 포함한 새로운 실용적인 응용들로 이어질 수 있음을 시사한다고 말한다. "응용 분야가 많다고 생각한다"라고 첸은 말한다. "우리는 이 모든 다양한 방향을 탐색하고 있다. 물론 구름은 기후 모델에서 가장 불확실한 요소이기 때문에 구름이 기후에 미치는 영향과 같은 기초 과학에도 영향을 미친다."

새롭게 발견한 현상

새로운 연구는 작년에 보고된 연구를 기반으로 하는데, 그 연구는 이 새로운 "광분자 효과"를 기술하기는 했지만 매우 특수한 조건, 즉 물에 적신 특수 준비된 하이드로젤의 표면에서만 일어나는 효과로 기술했다. 새로운 연구에서 연구진은 이 과정에 하이드로젤이 필요하지 않으며, 수역과 같은 평평한 표면이든 수증기 방울과 같은 곡면이든 빛에 노출된 모든 물 표면에서 발생한다는 사실을 입증했다.

이 효과는 예상치 못한 것이었기 때문에 연구팀은 가능한 한 다양한 증거를 통해 그것의 존재를 증명하기 위해 노력했다. 이 연구에서는 오랫동안 유일한 메커니즘으로 여겨졌던 열이 아닌 빛만으로 물이 실제로 증발하고 있다는 사실, 즉 물 분자가 물 표면에서 떨어져 나와 공기 중으로 흩어지고 있다는 사실을 입증하기 위해 수행한 14가지 종류의 테스트와 측정 결과를 보고한다.

서로 다른 조건의 네 가지 실험에서 일관되게 나타난 한 가지 핵심 지표는 가시광선 아래에서 테스트 용기에서 물이 증발하기 시작하자 수면 위에서 측정된 공기 온도가 떨어진 후 평준화되었다는 것인데, 그것은 열 에너지가 이 효과를 일으키는 원동력이 아님을 보여준다.

빛의 각도, 빛의 정확한 색상, 빛의 편광에 따라 증발 효과가 달라지는 방식들이 다른 주요 지표들로 나타났다. 이 파장들에서는 물이 빛을 거의 흡수하지 않기 때문에 증발 효과의 변화는 나타나지 않아야 하지만 연구진은 그 변화를 관찰했다.

이 효과는 빛이 45도 각도로 수면에 닿을 때 가장 강하다. 또한 가로 자기 편광이라고 하는 특정 유형의 편광에서 가장 강하다. 그리고 이상하게도 물이 가장 투명하여 상호작용이 가장 적은 색인 녹색 빛에서 최고조에 달한다.

첸과 그의 공동 연구진은 이 효과의 각도와 편광 의존성을 설명할 수 있는 물리적 메커니즘을 제안했는데, 그 메커니즘은 빛의 광자들이 수면에 있는 물 분자에 순력을 가해 물 분자를 수면에서 떨어뜨릴 수 있다는 것을 보여준다. 그러나 그들은 아직 색 의존성을 설명할 수는 없으며, 추가 연구가 필요하다고 말한다.

연구진은 1887년 하인리히 헤르츠가 발견하고 1905년 알버트 아인슈타인이 마침내 설명한 광전 효과와 유사하게 이를 광분자 효과라고 명명했다. 이 효과는 빛에도 입자 특성이 있다는 것을 최초로 입증한 것으로, 물리학에 큰 영향을 미쳤으며 LED를 비롯한 다양한 응용 분야로 이어졌다. 광전 효과가 빛의 광자에 부딪히면 물질의 원자에서 전자가 방출되는 것처럼, 광분자 효과는 광자가 액체 표면에서 전체 분자를 방출할 수 있음을 보여준다고 연구진은 말한다.

연구에 참여하지 않은 퍼듀대학교 기계공학과 교수 시우린 루안은 "열 대신 빛에 의한 증발을 발견한 것은 빛과 물의 상호작용에 대한 새로운 파괴적인 지식을 제공한다"라고 말한다. "햇빛이 구름, 안개, 바다 및 기타 자연 수역과 상호작용하여 날씨와 기후에 영향을 미치는 방식에 대한 새로운 이해를 얻는 데 도움이 될 수 있다. 태양 에너지로 구동되는 고성능 담수화와 같은 실용적인 응용 분야에도 상당한 잠재력을 가지고 있다. 이 연구는 커뮤니티에서 즉시 널리 받아들여지지 않고 때로는 오랜 시간이 걸리는, 진정으로 혁명적인 발견에 속하는 드문 그룹에 속한다."

구름 수수께끼 해결

이 발견은 기후 과학의 80년 묵은 수수께끼를 풀 수 있을 것이다. 구름이 햇빛을 흡수하는 방식의 측정은 종종 구름이 기존 물리학에서 예상하는 것보다 더 많은 햇빛을 흡수함을 보여주었다. 이 효과로 인한 추가 증발은 그 오랜 불일치를 설명할 수 있다. 그 불일치는 그 측정을 하기가 어렵기 때문에 논란되어 왔다.

"실험은 위성 데이터와 비행 데이터를 기반으로 한다"라고 첸은 설명한다. "구름 위와 아래에서 비행하고, 해수 온도와 복사 균형에 기반한 데이터도 있다. 그리고 모두 이론으로 계산할 수 있는 것보다 구름에 의한 흡수가 더 많다는 결론이 나온다. 그러나 구름의 복잡성과 이러한 측정의 어려움으로 인해 연구자들은 이러한 불일치가 실제인지 아닌지에 대해 논쟁을 벌여 왔다. 그리고 우리가 발견한 것은 설명되지 않았던 구름 흡수에 대한 또 다른 메커니즘이 있으며, 이 메커니즘이 이러한 불일치를 설명할 수 있다는 것을 시사한다."

첸은 최근 미국 물리학회 컨퍼런스에서 이 현상에 대해 발표했는데, 구름과 기후를 연구하는 한 물리학자는 구름이 기후에 미치는 복잡한 영향을 계산하는 데 영향을 미칠 수 있는 이 가능성에 대해 생각해 본 적이 없다고 말했다. 연구팀은 인공 구름 챔버에 빛을 비추는 LED를 사용하여 실험을 진행했고, 물이 가시광선 스펙트럼을 흡수하지 않기 때문에 일어나지 않아야 할 안개 가열을 관찰했다. "이러한 가열은 광분자 효과로 더 쉽게 설명할 수 있다"라고 그는 말한다.

리우는 여러 증거 중 "뜨거운 물 위의 공기 쪽 온도 분포에서 평평한 영역이 사람들이 재현하기 가장 쉬울 것"이라고 말한다. 이 온도 프로파일은 그 효과를 명확하게 보여주는 "시그니처"라고 그는 말한다.

장은 이렇게 덧붙인다: "열 증발에 대한 일반적인 이론을 넘어 다른 메커니즘에 기대지 않고는 이런 종류의 평평한 온도 프로파일이 어떻게 발생하는지 설명하기는 매우 어렵다. 그것은 많은 사람들이 태양 담수화 장치에서 보고하고 있는 것들을 하나로 묶는다." 태양 담수화 장치 역시 열 입력으로는 설명할 수 없는 증발률을 보여준다.

그 효과는 상당할 수 있다. 색상, 각도, 편광의 최적 조건에서 "증발률은 열 한계치의 4배에 달한다"고 리우는 말한다.

첫 번째 논문이 발표된 이후 이미 제지 공장에서 시럽을 증발시키고 종이를 건조하는 등 이 효과를 활용하고자 하는 기업에서 연구팀에 문의가 들어왔다고 첸은 말한다. 가장 먼저 응용될 가능성이 높은 분야는 태양 담수화 시스템이나 기타 산업 건조 공정 분야가 될 것이라고 그는 말한다. "건조는 전체 산업 에너지 사용량의 20%를 소비한다"라고 그는 지적한다.

이 효과는 매우 새롭고 예상치 못한 것이기 때문에 첸은 "이 현상은 매우 일반적일 것이며, 우리의 실험은 시작에 불과하다"고 말한다. 효과를 입증하고 정량화하는 데 필요한 실험은 매우 많은 시간이 소요된다. "물 자체를 이해하는 것부터 다른 물질, 다른 액체, 심지어 고체까지 확장하는 것까지 많은 변수가 있다"라고 그는 말한다.

이 연구에 참여하지 않은 조지아공대 기계공학과 부교수 섀넌 이는 "논문의 관찰은 증발 동역학에 대한 우리의 생각을 근본적으로 바꾸는 새로운 물리적 메커니즘을 가리킨다"고 말한다. 그는 "우리가 물의 증발처럼 미시적인 것에 대해 여전히 배우고 있다고 누가 생각했을까?"라고 덧붙인다.

"이 연구는 새로운 메커니즘을 제시한다는 점에서 과학적으로 매우 중요하다고 생각한다"라고 이 연구에 참여하지 않은 앨버타 대학교의 자넷 엘리엇 석좌교수는 말한다. "물의 증발은 어디에나 존재하며 이 효과는 알려진 열 메커니즘보다 훨씬 더 높은 증발 속도를 제공하는 것으로 보이기 때문에 기술과 자연에 대한 우리의 이해에도 실질적으로 중요한 것으로 판명될 수 있다. ... 내 전체적인 인상은 이 연구가 매우 뛰어나다는 것이다. 여러 가지 정밀한 실험이 서로를 뒷받침하면서 신중하게 수행된 것으로 보인다."