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체질적으로 알코올이 안 맞는지라 술을 거의 먹지 못하는 내가 1년에 한번 와인을 먹는 날이 있다. 그 날은 여름 휴가의 첫날밤에 온 가족이 서로 격려하며 행복한 휴가를 즐기자는 의미로 갖는 연중행사인데 아이들 은 먹지도 못하는 와인을 자기 잔에 받아서 영화에서 보던 것처럼 와인잔을 돌리며 온갖 포즈를 잡아보느라 신이 나는 시간이다. 어차피 와인 맛도 모르고 다 먹지도 못하니까 손에 잡히는 와인을 아무거나 샀었는데 올해는 무슨 바람이 불었는지 와인 샵 직원에게 추천을 받아 좀 괜찮다는 레드와인을 준비했고 문제는 거기 서 시작되었다.

대충 집었던 예전의 와인들과는 다르게 올해의 레드와인은 아이들이 와인잔을 돌리면 와인잔 안쪽에 자국이 생겼다. 아이들이 “이게 뭐야?” 라고 신기해하는 그 순간 직업병이 발동하였다. “그건 마랑고니 효과의 한 예인데 와인의 눈물이라고 하는 현상이야” 라고 말하는 순간, 나를 향하는 짜증의 눈빛들… 또 TMI 시작이라며 무언의 구박이 시작되길래 얼른 사과하고 분위기 수습하느라 애를 먹었다.


마랑고니 효과란?

마랑고니 효과란 표면장력(액체의 표면이 스스로 수축하여 가능한 한 작은 면적을 취하려는 힘)의 변화에 따라 액체가 표면장력이 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동하는 효과를 말한다. 그리고 이 표면 장력의 변화는 액체의 농도나 온도 등에 따라 다양하게 나타난다.

이탈리아 파비아 대학의 카를로 마랑고니(Carlo Marangoni)가 1865년 박사학위 논문에 와인의 눈물 현상을 물리적으로 설명한 이후 마랑고니 효과라고 불리게 되었으나 사실 이 현상을 먼저 언급한 건 삼중점(기체, 액체, 고체가 서로 공존하는 온도와 압력)을 제안한 제임스 톰슨(James Thomson)이다. 톰슨이 1855년 발표한 논문에서 ‘와인과 알코올음료의 표면에서 관찰되는 흥미로운 유체의 움직임’이라고 묘사했던 와인의 눈물을 마랑고니는 다음 그림과 같이 물리학적으로 설명했다.

에탄올(끓는점 78.4℃)과 물(끓는점 100℃)의 혼합물인 와인이 든 잔을 돌리면 잔의 벽면에 와인이 묻어 얇은 막이 형성된다. 이때 에탄올이 먼저 기체로 날아가 와인잔 벽면에 묻은 얇은 막의 와인은 상대적으로 물의 양 이 더 많아지게 된다. 즉 도수는 낮아지고 표면장력은 커져서 아래의 와인을 잘 끌어당기게 되는데 이렇게 마 랑고니 효과에 의해 밀려 올라온 와인이 아래로 떨어지는 순간 와인의 눈물이 흐르는 것이다.

물론 모든 와인이 우는 건 아니다. 마랑고니 효과로 나타나는 와인의 눈물을 보려면 에탄올이 잘 증발되어 농도 차에 의한 표면장력의 차이가 크게 나타날 수 있을 만큼 높은 도수의 와인을 준비해야 한다. 일반적인 화이트 와인은 11~13%, 가벼운 레드 와인은 12~13%, 무거운 레드 와인이 약 14~15% 정도의 알코올 도수 를 갖는데 와인이 눈물을 흘리려면 보통 14% 이상의 알코올 도수가 필요하다. 무겁고 드라이한 와인일수록 눈물을 잘 흘리고 소믈리에들은 이런 지식을 바탕으로 와인을 마시지 않고도 와인의 색과 눈물 등을 보고 와인을 만든 특정 포도 품종을 알아낼 수 있다.


와인이 없어도 쉽게 관찰할 수 있는 마랑고니 효과

마랑고니 효과를 이해하는데 도움이 되는 작은 실험을 하나 해보자. 평평한 접시 위에 물을 조금 담아 얇은 막이 생기게 한 후 후춧가루를 뿌린다. 후춧가루가 퍼진 접시의 한 가운데 약간의 액체 세제를 떨어뜨리면 순식간에 후추가 접시의 가장자리로 밀려난다. 이는 주방세제가 접시 가운데에 있는 물의 표면장력을 감소 시키기 때문에 나타나는 현상이다.

▲ 후춧가루를 이용한 마랑고니 효과 실험 (출처: 위키피디아, Jubobroff)


마랑고니 효과를 활용한 기술

최근 이 마랑고니 효과를 이용하여 기존 과학 기술의 한계를 넘는 새로운 기술들이 개발되고 있다. 일상 생활에서 흔하게 볼 수 있는 ‘커피링 현상’은 테이블 위에 떨어뜨린 커피 방울이 마를 때 제일 바깥쪽에만 링처럼 진한 얼룩이 남는 현상으로 1997년 미국 제임스프랭크연구소의 연구원인 로버트 디건이 국제 학 술지 ‘네이처’에서 처음으로 원인을 규명하였다.

▲ 커피 잔을 따라 흘러내린 커피자국에서 커피링 효과를 발견할 수 있다.

커피 방울의 가장자리에 있는 물은 다른 곳보다 빨리 증발하는데 이때 물이 원래 형태를 유지 하려는 힘이 생겨 가장자리로 계속 물을 보내게 된다. 이때 물속에 있던 커피 가루도 함께 바 깥쪽으로 몰려가게 되어 커피링 무늬가 생긴다. ‘오호 신기하다’라고 생각하고 끝낼 만한 커피링 현상은 다양한 물질들을 액체에 섞어서 분사하는 잉크젯 프린팅이 사용되는 생산 공정 에서 재료를 균일하게 코팅할 때 심각한 문제가 된다.

이를 해결하기 위한 연구들이 진행되고 있는데 올해 5월 국내 연구팀이 물방울이 증발하는 공간을 한시적 으로 밀폐하면 커피링이 완전히 소멸한다는 사실을 발견했다. 증발율이 다른 두 액체를 혼합하면 휘발성이 높은 액체가 먼저 증발하는데 이 증기가 공간에 가둬지면서 물방울의 표면과 반응해 표면장력 차이를 일으 킨다. 이때 발생하는 마랑고니 효과로 액체가 더욱 강하게 섞이면서 커피링 효과가 사라지게 되는 것이다.

연구팀은 이 결과를 바탕으로 증발 시스템을 최적화하여 디스플레이 원료 퀀텀닷과 태양광 패널 원료 페로 브스카이트와 같은 기능성 소자들을 대량 생산이 가능한 잉크젯 프린팅 기술로 균일하게 패터닝 할 수 있는 기술을 개발한 것이다.

소금쟁이가 물 위를 이동하는 것 또한 마랑고니 효과의 한 예이다. 이런 자연 현상을 이용하여 국내 한 연구팀은 마치 소금쟁이처럼 외부장치 없이 수면 위를 움직일 수 있는 먼지 크기의 마이크로로봇을 올 8월에 개발하여 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 발표했다. 연구팀은 마랑고니 효과를 이용해 내·외부의 조작없이 처음 제작한 모양만으로 다양한 동작이 가능한 소금쟁이 로봇을 개발하는데 성공했다.

시작은 묵직한 레드 와인이 흘리는 눈물이었으나 물리학적으로 원리를 이해하게 된 이후에는 프린팅과 코팅 기술의 난제를 해결하는 해결사가 되기도 하고 소금쟁이처럼 인체 속을 떠다니는 마이크로로봇을 만드는 중심 기술이 된 마랑고니 효과는 사소한 관찰이 얼마나 큰일을 해내는지에 대한 좋은 예이다.

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