Probing nonlinear rheology layer-by-layer in interfacial hydration water

서울대 제원호 교수 연구팀은 공기중에서 두 친수성 고체(운모와 석영) 사이에 수화층을 형성하여, 그의 두께와 변형속도를 바꾸며 점탄성 실험을 시행하였다. 그 결과 물 한 층을 제외한 두 층이상의 두께부터 여섯 층 두께의 수화층에서 그 겉보기 점성이 표면간 상대속도가 약 1 mm/s 이상에서 급격히 증가한다는 사실을 측정하였다. 이런 겉보기 점성의 증가가 실제 물의 점성이 증가한 것이 아니고, 수화층에 발생된 ‘난류’에 기인한다는 것이 이 논문의 핵심결과이다. 측정된 난류는 수화층이 가지고 있는 긴 완화시간으로 인해 발생된 점탄성 특성으로부터 발생하는데 이는 기존 유체의 관성 효과에 의해 발생하는 난류(즉, 관성난류)와는 근본적으로 차이가 있고 느린 변형속도와 큰 점성에도 발생되는 이 현상을 ‘탄성난류’라 구분지어 부르기도 한다. 본 연구팀은 이론적으로 탄성난류로 인해 증가되는 겉보기 점성을 예측하는데 성공하였으며, 실험결과와도 잘 일치함을 보였다. 본 연구는 나노영역의 유체에서도 난류가 존재함을 실험적으로 보인 첫 실험 연구결과이며, ‘나노 유동학(nanorehology)’이라는 새로운 학문 영역을 열었다는 점에서 그 의의가 있다.

공저자: 김봉수, 권소영, 이만희, 김규환, 안상민, 제원호 (서울대)

The hydration water layer (HWL) is a ubiquitous form of nanoscale water bound to the hydrophilic surfaces and plays a critical role in diverse phenomena in nature. Especially, investigation of its nonlinear fluidic properties is important for better understanding of its
rheological contributions at a microscopic level. Using precise control and sensitive detection of HWL, we observe shear thickening at above a critical shear-strain rate of 10^6 1/s, resulting from the interplay between relaxation and elasticity-induced fluctuation correlation. Interestingly, the results indicate the occurrence of elasticity turbulence above a universal shear velocity of ∼1 mm/s. This work not only opens up the field of nanorheology but furthers our understanding of nonlinear nanorheological effects in physics, chemistry, biology and engineering. It also serves as a stepping-stone toward controlled experiments on the nonlinear fluid dynamics near the interface.

Authors: Bongsu Kim, Soyoung Kwon, Manhee Lee, QHwan Kim, Sangmin An &
Wonho Jhe (Seoul National University)