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물·공기 저항 안받는 메타물질 가능하다


서울대·단국대 공동 연구진, 유체역학적 스텔스 원리 제시

[아이뉴스24 최상국 기자] 국내 연구진이 흐르는 물이나 바람으로부터 저항을 받지 않는 메타물질의 구현 가능성을 제시했다. 투명망토가 광학적 스텔스 기능을 갖는 것처럼 유체역학적 스텔스 기능을 갖는 물질을 만들어 냈다.

유체의 흐름 속에 존재하는 물체는 물리법칙에 따른 저항을 받을 수 밖에 없는데 이 메타물질로 둘러쌓인 공간은 마치 그 공간에 물체가 존재하지 않는 것처럼 無항력(drag-free) 상태를 만들어 공기나 물의 저항에서 자유로울 수 있다는 것이다.

18일 한국연구재단은 송영석(단국대)·윤재륜(서울대) 교수 연구팀이 새로운 개념의 유체역학적 메타물질을 개발하고, 이를 통해 사물을 은폐하고 항력을 제거할 수 있음을 입증했다고 발표했다.

기존에도 초공동(supercavitation)이나 아진공(near-vacuum)을 이용해 물이나 공기 중을 진행하는 물체의 항력을 줄이려는 시도가 있었고 스폰지 같은 다공성 구조에서 항력이 제거된다는 이론적 결과도 있었지만 실제 실험적으로 항력이 ‘0’이 되는(drag-free) 공간을 구현한 것은 처음이다.

연구진은 투명망토가 메타물질로 굴절률 분포를 변형시켜 물질을 광학적으로 은폐하듯이 물체 주변을 흐르는 유체의 점도(viscosity) 분포를 변형시켜 유동학적으로 은폐된 공간을 만들어 냈다.

 가. 일반적인 유체흐름. 위에서 아래로 유동이 흐르고 있음. 나. 유체 내에 장애물이 있는 경우 유체 흐름. 장애물에 의해 유동이 흐트러짐. 다. 유변 메타물질을 구현한 후 유동. 장애물 이후의 유동은 장애물이 없는 경우(그림 가)와 동일함. 또한 장애물이 받는 항력이 사라짐. 결국 장애물은 유동학적으로 은폐됨. 라. 그림 다에서 장애물을 제거하면 유동학적으로 은폐된 공간을 만들 수 있음.  [연구진 제공 그림]
가. 일반적인 유체흐름. 위에서 아래로 유동이 흐르고 있음. 나. 유체 내에 장애물이 있는 경우 유체 흐름. 장애물에 의해 유동이 흐트러짐. 다. 유변 메타물질을 구현한 후 유동. 장애물 이후의 유동은 장애물이 없는 경우(그림 가)와 동일함. 또한 장애물이 받는 항력이 사라짐. 결국 장애물은 유동학적으로 은폐됨. 라. 그림 다에서 장애물을 제거하면 유동학적으로 은폐된 공간을 만들 수 있음. [연구진 제공 그림]

연구진은 그동안 이론적으로만 제시됐던 유체역학적 스텔스 기능을 가진 메타물질을 이론과 실험으로 증명했다.

연구진의 설명에 따르면 유변 메타물질(rheological metamaterial)은 공간의 수학적 설계와 변형을 통해 유체 흐름이 완전히 배제된 공간을 창조함으로써 구현된다. 특정 공간 주위로 좌표 공간을 압축할 경우 가운데 공간은 유체역학적으로 빈 공간이 된다는 이론이다. 이 공간 안에 놓여 있는 물체는 유동 항력에 의한 영향을 받지 않게 된다. 연구진은 이를 무항력(drag-free) 공간이라 칭했다.

연구진은 "공간 별로 점도를 자유롭게 제어할 수 있는 미세유체시스템을 설계하고 유변메타물질을 실험적으로 측정하고 검증한 결과 2차원 유체 흐름 하에서 일반적인 점성유체와 비슷한 크기의 항력을 5배 이하로 감소시켰다"면서 "설계된 메타물질은 마이크로 수준에서부터 거대 건축물까지 크기제한을 받지 않는다"고 설명했다.

수학적으로 해석된 압력장과 유동장. 가. 일반적인 유체흐름. 나. 유체 내에 장애물이 있는 경우. 다. 유변 메타물질을 구현한 후. 라. 유동학적으로 은폐된 공간. [연구진 제공 그림]
수학적으로 해석된 압력장과 유동장. 가. 일반적인 유체흐름. 나. 유체 내에 장애물이 있는 경우. 다. 유변 메타물질을 구현한 후. 라. 유동학적으로 은폐된 공간. [연구진 제공 그림]

송영석 교수는 “제안하는 메타물질은 유동제어에 대해 도전적이고 독창적인 전략이자 재료설계의 새로운 패러다임을 제시한 것”이라며 “높은 연료효율을 달성하고 자연재해로부터 우회하는 재난방지 구조물을 연구할 계획”이라고 밝혔다.

이 연구결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 8월 13일자에 게재되었다.

※ 논문명 : Hydrodynamic Metamaterial Cloak for Drag-Free Flow ※ 주저자 : 박주혁(서울대, 1저자), 윤재륜(서울대, 공동교신저자), 송영석(단국대, 공동교신저자)

최상국 기자 skchoi@inews24.com






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