비누부터 샴페인까지 환상적인 거품의 과학

이제 보실 흥미로운 이야기와 시연을 통해 과학자 리 웨이는 방울들에 대한 비밀을 공유합니다. 물방울들의 기하학적 완벽함에서부터 의약에의 적용, 수영하는 펭귄이 만드는 물방울을 활용한 더 효율적인 선박을 만들기 위한 디자이너들의 끊임없는 노력을 이야기 합니다. 이러한 수학적인 경이로움에 대해 알아보고 매일 세상에서 펼쳐지는 마법 속으로 빠져들어 보시기 바랍니다.

몇 년 전, 제가 파리를 방문했을 때

세느강변을 걷던 어느 아름다운
여름 오후의 일입니다.

저는 강변에서 떠다니는
거대한 비누방울을 보았는데

크기가 이만큼이나 된 것이었습니다.

조금 후, 방울이 팡 터져 없어졌고

비누방울을 만든 두 거리 공연사는
구경꾼들에게 둘러싸여 있었습니다.

그들은 생계를 위해 기부를 부탁하면서

두 군데를 묶은 한 쌍의
막대들을 판매하고 있었습니다.

저는 그 자리에서 한 남자분이 그 막대를
10유로에 사가시는 걸 보고

깜짝 놀랐습니다.

저는 방울을 열정적으로
연구하는 과학자입니다.

저는 거대한 비누방울을
만드는 진짜 비법은

정확하게 섞은 비눗물 자체에 있지

막대에 있지 않죠.

막대는 필요하긴 하지만

집에서도 쉽게 만들 수 있죠.

막대에 집중하는 건 진짜 도구가 비누방울
자체임을 못 보게 하는 겁니다.

방울들은 아이들 장난감 같이 보이지만

정말로 아름답기도 합니다.

그러나 더욱 환상적인 과학
원리들이 방울 속에 들어 있습니다.

가끔은 문제해결도구가 되기도 합니다.

그래서 제가 오늘 여러분들과
나누고 싶은 몇 가지 이야기는

방울 만들기와

초미세방울 제거하기에
들어있는 과학 원리들 입니다.

여기 화면에 보이시는 것처럼
비누방울부터 시작해 보겠습니다.

비누방울은 다음과 같은
아주 흔한 물질들로 이루어집니다.

공기, 물, 비누를
정확하게 섞은 혼합물이죠.

비누방울 색이 계속해서
바뀌는 것이 보이실 거예요.

이는 빛이 비누방울
표면에서 산란하기 때문인데

표면의 두께 변화에 따른 것입니다.

흔한 물질중 하나인 물분자는

수소원자 두 개와 산소원자
하나로 이루어져 H2O가 되는데요.

대부분의 물방울 표면에서는
안으로 끌어당기는 힘이 작용하여

반구모양을 만들어 냅니다.

이것이 물방울 표면이 탄성박판 같은
성질을 갖는 이유입니다.

물방울 표면에 물분자는
가운데 있는 물분자에 의해

계속해서 안쪽으로
당기는 힘을 받습니다.

그리고 이러한 형태의 탄성을
우리는 "표면장력"이라고 합니다.

여기에 비누를 섞으면

비누분자가 물방울
표면의 장력을 약하게 만들어

더욱 탄력있고, 쉽게
방울 모양을 이루게 합니다.

비누방울을 수학적 문제
해결도구로 사용할 수도 있습니다.

잘 보시면 물방울은 기하학적으로
완벽한 모양을 지속하고 있습니다.

예를 들어, 구는 단위부피당

표면적이 가장 작습니다.

그것이 바로 물방울 하나가
언제나 구 모양인 이유입니다.

지금 보여드리겠습니다.
확인해 보실까요.

여기 비누방울이 하나 있습니다.

두 개의 비누 방울이 만나면

하나의 표면을 공유하여
물질의 양을 최소화 합니다.

점점 더 많은 비누방울이 모이면

기하학적 형태가 변화하는데요.

이렇게 네 개의 방울이 모이면

중앙의 한 점에서 만나게 됩니다.

만약 여섯 개의 방울이 모이면

마법의 정육면체가
정중앙에 나타납니다.

(박수)

표면장력이 작용하여

가장 효율적인 기하학적
배열을 만들어 내는 것입니다.

이제, 다른 예를 하나
더 들어보겠습니다.

여기 아주 간단한 받침대가 있습니다.

두 개의 플라스틱 판을

서로 핀 네 개를 활용하여
고정했습니다.

이 네 개의 핀이 같은 거리로
떨어져 있는 도시라고 생각하고

네 개의 도시를 연결하는
도로를 만든다고 가정해 봅시다.

제 질문은 네 개의 도시를
연결하는 최단 경로는 어디일까요?

질문의 답을 비눗물에
담가서 찾아 보겠습니다.

기억하세요, 비누방울은
언제나 표면적을

최소화 하는 형태로 만들어 집니다.

기하학적으로 완벽한 모양으로 말입니다.

해결법이 여러분이
기대했던 것과 다를 수도 있습니다.

네 개의 도시를 잇는 최단 경로는

여기 이 두 도시 거리의
2.73배가 됩니다.

(박수)

이제 제 아이디어를 잘 이해하셨군요.

비누방울은 언제나 표면적을
최소화 하는 방법으로

완벽한 기하학적 배열을 만들어 냅니다.

이제, 다른 관점에서 방울에 대한
이야기를 해 보겠습니다.

제 딸 조이는 동물원에
가는 것을 아주 좋아합니다.

그 중에서도 영국 남부의 마웰
동물원의 펭귄관을 가장 좋아하지요.

펭귄들이 물속으로 빠르게
헤엄치는 모습을 볼 수 있는 곳입니다.

하루는 아이가 펭귄이 수영할 때

몸에서 물방울이 지나가는 것을 보고

왜 그런지 물었습니다.

펭귄과 같은 조류는

정말 많은 시간을 물 속에서 보내면서

물방울을 보관하여 물의 밀도를

줄이는 영리한 방법을
익히도록 진화하였습니다.

황제 펭귄은 해수면에서
수백미터까지 잠수하는 법을 익힙니다.

그리고 잠수하기 전
깃털 아래에 공기를 보관해서

헤엄칠 때 천천히 내보내어
물방울 구름을 만드는 법을 익힙니다.

이 물방울이 펭귄 주변의
물의 밀도를 낮춰주는 역할을 하여

수영하기 더 쉽게 만들고

수영 속도를 40% 이상 높여 줍니다.

이러한 사실이 선박
제작사들에게 알려졌습니다.

제가 말씀드리는 큰 선박은

대양을 가로질러 수천 개의
컨테이너를 나르는 것들을 말합니다.

최근에, 제작사들은
"공기 윤활 시스템"을

펭귄에게서 영감을 받아
개발해 냈습니다.

이 시스템을 이용하여
수많은 공기 방울들을 만들어

배 바닥 전체에 순환 시켜

공기카펫을 만들면 물의 저항을 줄여

배가 쉽게 움직일 수 있게 됩니다.

이 방법으로 배의 에너지 소모를

15% 넘게 절약할 수 있습니다.

방울들은 약에서도 쓸모가 있습니다.

약과 관련지어 할 수 있는 역할은

예를 들면, 몸의 일정 부위에
약이나 유전자의 비침습적

투여와 같은 것이 있습니다.

상상해 보세요. 초미세 방울 속에

자성을 띄는 물질과
약을 혼합하여 넣은 다음

혈액 속으로 주사하는 것입니다.

방울들은 몸 속에
목표부위로 이동하는데요.

어떻게 어디로 가야 할지를
알 수 있을까요?

우리가 자성 물질을 넣었기 때문이죠.

예를 들어, 손에 이 부분에
약을 투여한다고 하면

여기 손까지 이동한 초미세방울을

초음파를 활용하여 터뜨리면

정확하게 필요한 곳에
약을 투여할 수 있게 됩니다.

지금까지는 방울을 만들기에 관련된
과학 원리에 대해 이야기 해보았는데요.

때로는 방울을 제거해야
할 때도 있습니다.

이것이 제 일의 일부이기도 합니다.

제 정확한 직업명은
"잉크 제제 학자"입니다.

그렇지만 여러분들이 종이에 쓰는
그런 잉크에 대한 일을 하지는 않고요.

저는 좀 멋진 것들, 그러니까

유기태양전지(OPV)와 같은
장치를 가지고 일을 합니다.

그리고 유기발광다이오드
즉, OLED와 같은 장치를 다룹니다.

제 일의 일부는 저희 회사에서
만드는 잉크에서 왜 그리고 어떻게

잉크에서 방울을 제거하는지
밝혀내는 것 입니다.

배합과정 중

이를 준비하는 단계에서

유효 성분에 용제와 첨가물을 넣습니다.

저희가 원하는 물질을 사용하여
원하는 제제의 잉크를 만들어

사용하기 위한 방법입니다.

그러나 여러분들이 음료나

케이크를 만들 때처럼

어쩔 수 없이 잉크 속으로
소량의 공기 방울이 들어가게 됩니다.

우리가 이야기 하는
잉크 속 공간은 분명

파리에서 비누방울을
날리던 공간과는 매우 다릅니다.

이 공기방울은 잉크 속

몇 밀리미터 사이나

몇 마이크론 사이

또는 몇 나노미터 사이로 들어갑니다.

그렇게 내부로 들어간 소량의

산소나 수분이 저희의 걱정거리입니다.

이 정도 크기에서는 이들을
제거하는 것이 쉽지 않습니다.

그럼에도 여러가지 문제를 일으킵니다.

예를 들어, 유기발광 다이오드 잉크는

여러분들의 스마트폰
화면을 만드는데 쓰입니다.

몇 년 동안 문제 없이
쓸 수 있는 이 화면도

잉크에 산소나 수분이 유입되고

이를 제거하지 못하면

금새 픽셀에 검은 점들이 보이게 됩니다.

저희가 이 초미세방울을
제거하는데 직면하는 도전과제는

이 친구들이 그리
협조적이지 않다는데 있습니다.

이 친구들은 거기 머무르려 하고

잘 움직이지 않고 잉크목욕을
즐기며 잘 움직이지 않으려 합니다.

그렇다면 어떻게 쫓아내야 할까요?

한 가지 저희가 사용하는 기술은

잉크 속으로 아주 얇고 작은
구멍이 뚫린 튜브를 밀어넣어

이 튜브를 진공 챔버에 넣으면

잉크에서 이 방울들이
밀려서 나오게 됩니다.

그렇게 제거가 되지요.

한 번 저희가 방울들을 겨우
잉크에서 제거하고 나면

축하파티를 할 시간이 됩니다.

보글보글한 샴페인을 따 볼까요?

오, 정말 재밌겠군요!

(웃음)

우오오!

(박수)

여기 수 많은 거품들이
샴페인 병에서 나오는게 보이시죠.

이 거품 속에는 이산화탄소,

즉 와인이 숙성되는 과정에서
생기는 기체로 가득차 있습니다.

조금 따라보겠습니다.

이런 기회를 놓칠수야 없죠.

이 정도면 될 것 같군요.

(웃음)

여기, 수 많은 초미세방울들이

유리잔 바닥에서 샴페인
표면까지 올라오는 것이 보이는군요.

팡 터지기 전에

이 방울들은 아주 작은
아로마 분자들을 내뿜고

샴페인의 풍미를 만들어 내면서

우리가 샴페인 향기를 더욱
풍부하게 느낄 수 있도록 합니다.

방울들을 열정적으로
연구하는 과학자로서

저는 방울을 보는 것을 사랑하고

가지고 노는 것도 사랑스럽고

연구하는 것도 사랑합니다.

또한, 마시는 것도 사랑하지요.

감사합니다.

(박수)