130년 난제 해결할 유체 계면 ‘보편 물리이론’을 정립한 (왼쪽부터) 동아대학교 화학공학과 이헌상 교수, 최경민·아샤르 후세인 박사. 동아대 제공

동아대학교(총장 이해우)는 화학공학과 이헌상 교수 연구팀의 연구 결과가 지난 23일 Nature Portfolio의 물리학 분야 국제학술지 ‘Communications Physics’에 게재됐다고 28일 밝혔다.

‘Communications Physics’는 순수 및 응용 물리학 전 분야를 다루는 국제 저명 학술지로 피인용지수(Impact Factor) 5.8을 기록하며 해당 학문 분야 상위 25%(Q1)에 속하는 세계적 권위를 지니고 있다.

이 교수 연구팀은 완전 혼합성 유체에서 오랫동안 유지되는 계면의 생성과 지속, 붕괴 메커니즘을 하나의 틀에서 설명하는 ‘자유에너지 공진화 변분원리(co-evolving free-energy variational principle)’를 도출하고 계면의 수명까지 정량적으로 예측하는 데 성공했다.

이를 통해 혼화성 유체 계면을 지배하는 보편 물리법칙을 이론적으로 정립했으며 논문은 ‘The universal law behind long-lived interfaces in fully miscible fluids(완전히 섞이는 유체의 계면을 지배하는 보편법칙)’라는 제목으로 게재된다.

서로 완전히 섞일 수 있는 유체가 맞닿는 현상은 생명체 세포 내부와 인체, 산업 화학공정, 해양 환경 등 자연과 기술 시스템 전반에서 흔히 관찰된다. 또 이온과 전자가 유체처럼 집단 분포하는 반도체나 전극 등의 물질계에서도 유사한 계면 문제가 나타난다.

하지만 이러한 유체들이 접촉한 후 즉시 섞이지 않고 일정 시간 계면을 유지하는 구체적인 물리적 원리는 1893년 JD 반 데르 발스(van der Waals)의 계면 이론 발표 이후 130여 년 동안 규명되지 않은 난제로 남아있었다.

이번에 연구팀은 ‘자유에너지 지형’과 ‘계면 농도장’의 쌍대 결합(dual pairing) 및 자기일관적 공진화(self-consistent co-evolution)를 통해 이 난제를 해결했다.

기존 이론에서는 정해진 지형이 물의 흐름을 결정하거나 물 흐름이 먼저 지형을 바꾸고 그 변화가 다시 흐름에 영향을 주는 순차적인 방식으로 생각했던 반면 이 교수팀의 공진화 이론은 지형과 물의 흐름이 하나의 상태를 이루며 동시에 함께 변하는 원리로 풀어냈다.

연구팀은 이 공진화 구조를 바탕으로 계면의 생성과 지속, 두꺼워짐, 그리고 최종 붕괴에 이르는 전 과정을 하나의 이론적 틀로 연결했으며 화학적 성질이 전혀 다른 유체들에서도 계면 수명을 정량적으로 예측했다.

이는 단순한 기존 이론 응용을 넘어 여러 물리현상을 하나의 원리로 연결하는 수학적·물리적 틀로서 새로운 변분 제1원리를 제시한 ‘원리 제안형’ 기초이론 연구로서 현대 과학계에서도 매우 드물게 발표되는 독창적인 형태다. 여기서 ‘변분 제1원리’란 자연이 어떤 상태를 선택하고 어떻게 변해갈지를 가장 근본적인 기준 하나로 설명하는 방식을 뜻한다.

이 교수는 “이번 연구는 소프트매터와 정밀 화학공정의 설계 및 제어 원리를 한 단계 발전시키고 향후 실제 공정 최적화와 산업 기술로 확장할 수 있는 학문적 기초가 될 것”이라며 “연구 정량 성과를 늘리기보다 매년 스스로 한 단계 발전된 논문을 내자는 원칙을 30년 가까이 지켜오다 보니 특정 현상에 국한된 모델을 넘어 공학 기초이론이 될 수 있는 일반적인 물리 법칙을 변분 제1원리의 형태로 제시하는 뜻깊은 결실을 보게 됐다”고 말했다.

그는 이어 “공동 연구를 수행하며 뛰어난 역량을 보여준 제자 최경민 박사와 아샤르 후세인 박사가 앞으로 유능한 신진 과학자로 성장하기를 기대한다”며 “인공지능(AI)은 인간이 제시한 문제의 해법을 찾는 데 유용하지만 기존 사고 틀을 바꾸고 새로운 문제를 정의하는 창의성은 여전히 인간 연구자의 핵심 역할이다. 이번 공진화 이론 역시 자유에너지 지형과 계면 농도장이 함께 변화한다는 새로운 사고의 틀에서 출발했다”고 강조했다.

연구에 참여한 최경민 박사는 현재 한국과학기술연구원(KIST)에서, 아샤르 후세인(Ashar Hussain) 박사는 동아대 BK21 사업단에서 박사후연구원으로 연구를 이어가고 있다.

이 교수는 동아대 화학공학과 BK21 사업단장을 맡아 정밀 화학소재와 피지컬 AI용 정밀 소프트매터를 중심으로 미래 연구와 인재양성을 이끌고 있다.

소프트매터와 첨단소재 분야에서 이론과 실험을 아우르는 연구를 지속해 왔으며, ‘Nature Communications’, ‘Science Advances’ 등 세계적 국제학술지에 연구 성과를 발표해 왔다. 최근엔 이러한 연구 기반을 바탕으로 비평형 유체와 계면을 지배하는 보편 물리원리의 정립으로 연구영역을 확장하고 있다.