염수액적증발은 기초적인 물리화학현상으로서 분리기술, 해수담수화와 결정공정 등 분야에서 관건적인 응용을 갖고있다.증발 과정에서 액적 내부에 복잡한 흐름이 형성되는데 이는 용해 물질의 최종 분포와 결정 형태를 결정한다.액체 방울 내부의 흐름은 주로 밀도 차이에 의해 구동되는 레일리 대류 (Rayleigh convection) 와 표면 장력 경도에 의해 구동되는 마랑고니 효과 (Marangoni effects) 라는 두 가지 주요 메커니즘에 의해 제어됩니다.그러나 서로 다른 인터페이스 열 조건에서 이 두 가지 메커니즘 간의 상호작용과 주도적 지위 전환은 현재 체계적인 정량 연구가 부족하다.그러므로 이런 내재류동메커니즘을 깊이있게 리해하는것은 결정침적형태에 대한 정확한 통제를 실현하는데 있어서 극히 중요하다.

최근,대련리공대학 정밀화학공업국가중점실험실, 지능재료전연과학센터의 하고홍교수와 강효빈교수팀, 화학 분야 국제 저널화학 공학(Chemical Engineering Science)에 제목이 발표되었습니다.“증발하는 소금 방울의 흐름 전환: 레이리 대류와 마랑고니 효과의 상호 작용”의 연구 논문.

이 연구는 체계적인 실험과 계산유체동력학(CFD) 시뮬레이션을 결합해 서로 다른 기하학적 구조와 열 조건에서 소금물 액적이 증발하는 과정에서의 내부 순환 메커니즘을 심도 있게 탐구했다.연구는 릴리의 대류와 말랑고니 효과가 상호 작용하여 통제하는 서로 다른 순환 패턴을 밝혀냈다.이 중 연구진은 모방 정밀면 투영 마이크로 입체 광각(P μSL) 기술(nanoArch)을 이용해® S140 Pro，정밀도: 10μm) 3D 프린팅 시스템은 액적 마이크로 플랫폼을 제조합니다.

연구에 따르면 상온조건에서 액적내부는 주로 렐리의 대류에 의해 구동되는데 그 접촉각의 크기가 최종적인 퇴적형태를 결정한다. 90°보다 작으면 변두리퇴적이 형성되고 90°보다 크면 중심퇴적이 형성된다.온도를 정확하게 조절하여 내부 유동 패턴에 대한 근본적인 전환을 연구했다.중요한 발견은 온도차가 특정 임계 임계값을 초과할 때 제마란고니 효과가 릴리 대류를 압도하여 흐름 패턴이 역전된다는 것이다.이밖에 고액계면의 전열계수도 류동주도메커니즘을 조절통제하는 관건적인 매개 변수로 실증되였는데 그 값이 10W/m2 · K보다 낮을 때 류동은 렐리대류가 주도한다.100-1000W/m2·K 범위에서는 제마란고니 효과가 지배적이다.결국 이 작업은 무량강 릴리수 (Ra) 와 말랑고니 수 (Ma) 를 기반으로 한 종합 포토그래프를 구축하여 서로 다른 증발 조건에서의 유동 상태 전환을 예측하고 제어할 수 있는 강력한 정량 도구를 제공함으로써 인터페이스 열 조절을 통해 결정체 퇴적 형태에 대한 정확한 제어를 실현할 수 있는 이론적 기초를 다졌다.

연구팀은 시뮬레이션의 정확성을 확보하기 위해 광학과 적외선 열상을 포함하는 동기식 표징 시스템 (그림 1) 을 구축하고 이를 통해 CFD 모델을 검증했다.그림 2에서 볼 수 있듯이 시뮬레이션 결과는 액적 기하학적 변화, 인터페이스 온도 분포와 내부 유장 등 관건적인 매개 변수에서 모두 실험 데이터와 고도로 일치한다. 예를 들어 시뮬레이션과 실험의 인터페이스 온도 분포의 상대적인 차이는 0.05114%에 불과하여 이 수치 모델의 신뢰성을 충분히 증명했다.

연구에 따르면 액적의 접촉각은 류동모식과 최종퇴적형태를 결정하는 관건적인 요소이다(그림3).접촉각이 90 ° 보다 작으면 최대 증발속도가 3상 접촉선에 나타나는데, 이는 릴리 대류와 용질 마랑고니 효과가 함께 주도하는 시계 방향으로 흐르도록 구동하여 최종적으로"커피 고리"상 퇴적을 형성한다.접촉각이 90 ° 보다 크면 증발속도가 액적정점으로 전이되여 상부는 시계방향, 하부는 시계방향의 이중순환류동을 일으키는데 이런 독특한 류장구조는 결정체가 중심구역에 모이게 한다.

액체의 접촉 반경은 결정 과정에도 영향을 미친다 (그림 4).연구에 따르면 120° 접촉각에서 접촉반경이 증가함에 따라 부력효과에 의해 구동되는 내부농도의 경도가 강화되였다.더 긴 순환 경로는 수정핵에 충분한 용질 흡수 시간을 제공하며, 이는 더 큰 크기의 수정체를 형성하는 데 도움이 되며, 이 현상은 시뮬레이션과 실험의 스캐닝 렌즈 이미지에서 모두 확인되었다.

열 경계 조건을 조정하여 내부 흐름을 능동적으로 제어할 수 있습니다 (그림 5).연구에 따르면 인터페이스 전열 계수 (h) 는 흐름 패턴을 결정하는 열쇠이며 낮은 전열 계수 (h<10 W/m2·K) 는 릴리 대류 주도의 시계 방향 흐름을 유지하는 데 도움이됩니다.전열 계수가 100-1000W/m2·K 범위로 증가했을 때 기저 가열로 인한 온도 차는 제마란고니 효과가 다른 효과를 압도하고 흐름 패턴을 반시계 방향 순환으로 역전시키기에 충분했다.

가열 조건에서 내부 흐름은 릴리 주도에서 말랑고니 주도로의 동적 전환을 거친다 (그림 6).이 연구는 이 전환에서 발생하는 임계온도차를 정확하게 계량화하였는데 120 ° 접촉각의 액적에 대해서는 0.94K이고 60 ° 접촉각의 액적에 대해서는 더욱 강한 용질인 마랑고니효과로 하여 더욱 높은 온도차 (1.34K) 가 있어야 역전을 실현할수 있다.이 결론은 온도를 통해 내부 흐름을 정확하게 조절하는 데 정량 지도를 제공했다.

연구팀은 다양한 조건에서의 유동 상태를 체계적으로 예측하기 위해 무량강 릴리수(Ra)와 말랑고니수(Ma)를 기반으로 유동상도(그림 7)를 구축했다.이 사진들은 릴리 주도 (핑크 영역), 말랑고니 주도 (파란 영역) 및 두 가지 공동 작용에 따른 전환 흐름 영역을 명확하게 구분합니다.그림 8에서 볼 수 있듯이 서로 다른 흐름 상태 사이의 변환 경계는 幂律 관계를 통해 정확하게 묘사할 수 있으며 액적 내부의 흐름을 정량적으로 제어하는 데 강력한 도구를 제공한다.

본 연구는 증발염수 액적 중 릴리 대류와 말랑고니 효과 간의 경쟁과 협동 메커니즘을 체계적으로 밝히고 액적 기하학적 형상과 열 경계 조건이 내부 순환과 최종 결정 모델에 결정적인 영향을 미친다는 것을 발견했다.연구는 서로 다른 접촉각 아래 유동 패턴과 퇴적 형태의 대응 관계를 명확히 했다. 90 ° 미만일 때는"커피 고리"상 퇴적을 형성하고 90 ° 이상이면 중심화 퇴적을 형성한다.이밖에 연구는 또 열조건이 류동모식에 대한 통제작용을 계량화하여 열마란고니효과의 주도적지위를 실현하는 림계온도차와 계면전열계수범위를 확정하였다.최종적으로 구축된 Ra-Ma 포토그래프는 서로 다른 열학 및 기하학적 조건에서 순환 패턴을 예측할 수 있는 신뢰할 수 있는 도구를 제공한다.이러한 성과는 인터페이스 조건을 정확하게 조절하여 증발 결정 과정을 최적화하는 데 이론적 기초를 제공하였으며, 단백질 결정, 화학 마이크로반응기 및 생체 분석 플랫폼 등의 분야에서 응용 잠재력을 가지고 있다.