비즈니스 기회
200년 된 열전달 법칙에 대한 예외를 발견
매사추세츠 대학교 애머스트 캠퍼스(University of Massachusetts Amherst)가 이끄는 연구팀은 최근 열이 고체 물질을 통해 확산되는 방식을 제어하는 푸리에의 법칙(Fourier's Law)으로 알려진 200년 된 법칙에 대한 예외를 발견했습니다.
과학자들은 이전에 나노 규모의 법칙에 예외가 있음을 보여주었지만, 국립 과학 아카데미 회보에 발표된 이 연구는 법칙이 항상 거시적 규모에서 사실인 것은 아니며 순수한 전자기 방사선이 플라스틱 및 유리와 같은 일부 일반적인 재료에서도 작용하고 있음을 보여주는 최초의 연구입니다.
"이 연구는 간단한 질문에서 시작되었습니다"라고 매사추세츠 대학교 애머스트의 고분자 과학 및 엔지니어링 교수이자 논문의 수석 저자인 로버트 K. 배럿(Robert K. Barrett)은 말합니다. "사람들이 생각했던 경로가 아닌 다른 경로를 통해 열이 전달될 수 있다면 어떨까요?"
복사열은 우리가 태양으로부터 느끼는 열입니다. 태양이 비추면 전자기파가 피부를 따뜻하게 해줍니다. 반면에 확산은 새 컵을 부은 후 찻잔이 손을 따뜻하게 하는 방법입니다. 200년 동안 과학자들은 확산이 열이 고체를 통해 이동하는 방식을 설명한다고 믿어 왔습니다. "하지만 가끔은 창의성을 발휘하기 위해서는 교과서를 잠시 내려놓아야 할 때가 있습니다"라고 Granick은 말합니다.
타타기초연구소(Tata Institute for Fundamental Research)의 그라닉(Granick), 샹카르 고쉬(Shankar Ghosh), 매사추세츠 대학교 애머스트(UMass Amherst)의 선임 연구원인 카이카이 정(Kaikai Zheng)은 푸리에 법칙의 예외가 반투명 폴리머와 무기 유리에서 발견될 수 있다고 추측했습니다. 열은 두 물질을 통해 확산되지만, 연구팀은 두 물질의 반투명도가 에너지를 물질 전체로 방출할 수도 있다는 가설을 세웠습니다.
가설을 테스트하기 위해 그들은 열의 대류분포를 담당하는 공기를 제거하는 진공챔버에 재료 샘플을 배치했습니다. 그런 다음 레이저를 사용하여 작은 영역을 가열하여 한 샘플에서 열 펄스를 생성하고 다른 샘플에서는 한쪽을 가열하고 다른 쪽은 차갑게 유지했습니다.
그런 다음 특수 적외선 카메라를 사용하여 열이 샘플을 통해 퍼지는 것을 관찰했습니다. 실험을 여러 번 반복하면서 그들은 푸리에의 법칙으로 완전히 설명할 수 없는 변칙성을 계속 발견했습니다.
"아무도 이것을 시도하지 않았습니다.”라고 Zheng은 말합니다. "반투명 폴리머 안에서 예상치 못한 일이 일어나고 있었습니다.”
반투명 소재는 에너지가 내부적으로 방출되어 작은 구조적 결함과 상호 작용하여 2차 열원이 된다는 것이 밝혀졌습니다. 이러한 2차 열원 자체는 재료를 통해 열을 계속 방출합니다.
"푸리에의 법칙이 틀렸다는 것이 아니다. 단지 그것이 열전달과 관련하여 우리가 보는 모든 것을 설명하지 못한다는 것이다. 우리와 같은 기초 연구를 통해 열이 어떻게 작용하는지에 대한 이해를 넓힐 수 있으며, 이는 엔지니어에게 열 회로 설계를 위한 새로운 전략을 제공할 것이다.”라고 그라닉은 언급했습니다.
이상의 기사는 2024년 3월 4일 Phys.org에 게재된 “Researchers find exception to 200-year-old scientific law governing heat transfer”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 추가 정보 : https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2320337121
* 정보 출처 : https://phys.org/news/2024-03-exception-year-scientific-law.html