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교육칼럼

[비센의 재미있는 과학 이야기] 브라질 너트 효과

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작성자 석준영 작성일15-03-16 09:10 조회234회 댓글0건

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우리 일상생활속에 숨어있는 오묘한 과학세계

어른들의 술안주로 또는 아이들의 영양간식으로 많은 사람들이 좋아하는 견과류, 마트에 가면 여러 종류의 견과류들을 함께 섞어서 파는 Mixed-Nuts를 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 

이런 믹스 너트를 구입해서 열어보면 항상 덩치가 큰 피칸이나 브라질 너트 등이 위에 있고, 상대적으로 크기가 작은 땅콩등은 아래쪽에 깔려 있는 것이 우연이 아니라는 것 알고 계셨나요?

이는 고체 알갱이들의 특이한 운동법칙에 의한 것인데, 믹스 너트에서 가장 크기가  큰 브라질 너트가 제일 위쪽에 위치하게 되는 것에 착안하여 브라질 너트 효과(Brazil Nuts Effect)라고 불립니다. 

여러가지 크기의 고체 알갱이들을 하나의 통 안에 넣고서 충분한 시간동안 흔들어 주면, 시간이 지남에 따라 작은 알갱이들은 아래쪽으로 내려가고, 큰 입자들은 위쪽으로 올라오게 되는 현상을 볼 수 있습니다. 

이것은 그냥 흥미로운 현상으로 끝나는 것이 아니라 사실 믹스 너트 제품을 생산하는 회사나 특히 제약회사 등에서는 오랜 기간동안 골칫거리로서 연구대상이 되어오고 있는 현상입니다. 

제조과정에서 고르게 잘 섞어 놓은 분말 형태의 약이나 제품들이 유통과정을 거치면서 자연스럽게 흔들리게 되고, 그 동안 이 브라질 너트 효과에 의해 분말의 크기에 따라 층이 나뉘어져 버리기 때문입니다. 

이 때문에 분말가루가 골고루 섞여야만 하는 약품과 같은 경우에는 유통과정의 마지막 단계에서 제품을 다시 섞어주는 공정을 거쳐야 하는 번거로움도 생기게 됩니다.

이러한 고체 입자들의 운동에 대해서 연구하는 분야를 입자 동역학(Granular Dynamics)라고 하는데, 액체나 기체 상태의 입자운동에 비해서 많이 알려져 있지 않은 분야로 현재도 매우 활발히 연구가 진행되고 있는 분야입니다. 

앞서 말씀드린 브라질 너트 효과 역시 그 현상은 알려져 있으나 정확한 원인에 대해서는 아직도 연구중에 있습니다. 

사실 십여년 전까지만 하더라도 이 효과의 원인은 명확히 알려졌다고 생각했습니다. 즉, 우리가 곡물을 채를 치면 채망의 크기보다 작은 알갱이들만 채의 아래쪽으로 빠져 나가듯이 크기가 큰 알갱이들의 사이사이가 채망의 구멍과 같은 역할을 하고, 그 사이로 작은 입자들이 빠져 내려가기 때문에 이루어지는 현상이라고 생각되었습니다.

그런데, 미국 Rutgers University의Troy Shinbrot 교수가 실험을 하던 중, 소금입자들로 채워진 용기에 금속과 플라스틱으로 만들어진 볼트와 너트를 넣고 용기를 흔들어 본 결과, 금속으로 만들어진 물체들은 브라질 너트 효과에서 설명한 대로 위쪽으로 올라온 반면, 플라스틱으로 만들어진 물체들은 오히려 아래쪽으로 가라앉는 다는 것을 알게 되었습니다. 

이 실험 결과는 고체 입자들의 움직임이 채반을 통과하는 효과라는 것만으로는 설명이 불가능 하다는 것을 알려준 것입니다. 

이 실험 이후, 트로이 교수 연구팀은 생김새는 정확히 일치하지만 밀도가 다른 물체들을 준비해서 동일한 실험을 진행하였고, 그로부터 물체의 밀도가 높은, 즉 무거운 물체는 위쪽으로 올라오지만, 상대적으로 밀도가 낮은, 즉 가벼운, 물체는 아래쪽으로 가라앉는다는 예상을 뒤엎는 결과를 얻었습니다.

뿐만 아니라, 물체의 생김새와 입자의 진동방향 역시 이러한 운동에 영향을 줄 수 있다는 최근 논문도 발표하였는데, 그 논문에 따르면, 소금 입자들이 채워진 용기에 볼트와 고정핀을 넣고서 실험을 했을 때, 용기를 위아래로 흔드는 경우 볼트는 위로 올라오고 고정핀은 아래로 내려간 반면, 용기를 좌우로 흔들었을 경우에는 고정핀은 위로 올라오고 볼트는 아래로 가라앉는 것을 확인할 수 있었습니다. 

이러한 입자들의 운동의 근본적 원인에 대해서는 아직도 정확히 밝혀진 바가 없고 연구중인데, 이러한 연구가 힘들고 밝혀내기 어려운 이유는 육안으로 보기에는 비슷한 작은 알갱이들 같지만, 현미경으로 들여다 보면 각각의 알갱이들의 생김새가 모두 다르고, 그에 따라 외부 운동에 대한 영향도 각기 다르게 전달되기 때문에 운동에 요인이 되는 물리적 값들과 변수들이 너무나 다양하기 때문입니다.

“Who, then, can calculate the course of a molecule? How do we know that the creation of worlds is not determined by the fall of grains of sand?”

“과연 누가 분자 알갱이 하나의 움직임을 계산해 낼 수 있을 것이며, 과연 우리는 이 우주의 탄생이 흘러내리는 모래 알갱이의 움직임에 의해 결정되는 것이 아니라고 확신할 수 있다는 말인가?”

이는 빅토르 위고의 유명한 작품 “레 미제라블”에 나오는 대사입니다. 물론 빅토르 위고는 이 세상의 하찮아 보이는 작은 모래 알갱이의 움직임 하나하나에도 이 세상이 돌아가는 질서의 신비함이 깃들어 있다는 말을 문학적으로 표현한 것입니다.  

흥미롭게도 그가 레 미제라블을 집필한지 100년이 지난 현재, 과학자들은 끝내 모래알들이 흘러내리는 패턴에 실제로 매우 정교한 과학이 숨어있다는 것을 밝혀 냈고 이러한 입자 동역학들이 이 세상에 존재하는 물질들과 그 질서에 실제로 무관하지 않다는 것을 많은 부분 밝혀내게 되었습니다. 

우리가 무심코 떠올린 당연해보이는 현상에 대한 새삼스러운 질문들에 과학적으로 어떤 굉장한 질서와 법칙이 숨어 있을지도 모른다는 기대감으로 오늘도 과학자들은 연구에 연구를 거듭하고 있는지도 모릅니다. 


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석준영  비센학원장 

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