비눗방울은 비누와 물 등의 액체로 되어 있으므로 추운 환경에 노출되면 물론 얼어버립니다. 그런 비눗방울이 얼어가는 모습은 보통의 물과는 조금 다르다고 합니다.
How soap bubbles freeze | Nature Communications
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10021-6
Bubble of an idea leads to new research on freezing | Virginia Tech Daily | Virginia Tech
https://vtnews.vt.edu/articles/2019/06/me-freezingbubbles.html
Bubble of an idea leads to new research on freezing
A mechanical engineering professor and his students studied soap bubbles to learn how the "snow globe" effect takes place and learned about the nature of freezing.
www.vtnews.vt.edu
버지니아공대 기계공학부 조나단 보리코 교수가 이끄는 연구팀은 비눗방울이 얼어붙는 장면이 담긴 영화를 시청한 후, 비눗방울 주위에 떠 있는 얼음 결정이 어떻게 형성되는 것인지 궁금하게 되었다는 것. 아래의 동영상은 비눗방울이 얼어붙는 모습을 촬영한 것입니다.
Bubbles Freezing in Slow Motion - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=Wqk_CKSxlyU
눈 위에 비눗방울을 만들자 비눗방울의 막 위에 소용돌이가 치고 별모양을 한 얼음조각이 흩날리고 있는 모습이 보입니다. 비눗방울 전체가 얼음으로 덮이고 이내 터져버립니다.
그리고 보리코 교수가 실제로 비눗방울을 얼린 실험 모습을 아래의 동영상에서 볼 수 있습니다.
Bubbles into Snow Globes - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=ICo5z1fsV34
우선 실온에서 비눗방울을 영하까지 식힌 기판 위에 배치하면 비눗방울은 접지된 아래 반구에서 얼기 시작합니다. 서서히 올라가는 얼음과 액체의 경계선은 '동결전선'이라고 합니다.
그리고 전체가 얼기 전에 상단 3분의 1이 붕괴하여 주름처럼 가라앉아 버렸습니다.
다음은 영하 20도의 방에서 영하 20도의 기판 위에 비눗방울을 배치하자 순식간에 비눗방울은 얼어버렸습니다.
보리코 교수에 따르면 영하 20도의 실온에서 영하 20도의 기판 위에 비눗방울을 배치하면, 온도구배가 생겨 비눗방울 바닥의 온도가 비눗방울의 다른 부분보다 올라간다는 것. 온도구배가 형성된 결과 비눗방울 상단의 온도는 영하 20도인데 비해 바닥의 온도는 영하 6도가 된다고 합니다. 그리고 이 온도구배에 의해 마란고니 대류(Marangoni convection)라는 흐름이 일어나 주위의 표면장력을 낮추도록 액체가 움직입니다.
따라서 얼어가는 모습을 살펴보면 동결전선이 서서히 진행되는 것이 아니라, 얼어붙은 부분이 비눗방울의 막 위를 흘러갑니다.
얼음이 비눗방울 전체를 감싸가는 것처럼 보인다는 것입니다. 첫 번째 동영상에서 얼어붙은 비눗방울이 깨진 이유는 마란고니 대류에 의해 표면장력이 내려갔기 때문이라고 생각됩니다.
보리코 교수는 "지금까지는 동결전선이 얼마나 성장하느냐에 따라 그 물체가 동결되는 시간이 결정된다고 생각했습니다. 그러나 실은 마란고니 대류에 의해 이른바 동결전선이 동시에 수백개가 형성되고 있다는 것입니다"라고 코멘트. 천천히 얼어가는 것이 아니라 전체가 단번에 퍼지듯 얼어간다는 점이 밝혀졌습니다.
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