우연에서 시작된 실험실의 균열
매사추세츠 애머스트의 대학 연구실에서 평범한 실험이 예상 밖의 물리를 드러냈다. 물리학 대학원생 앤서니 레이크(Anthony Raykh)는 자화된 니켈 입자, 물과 기름, 강한 교반을 이용해 새로운 유체 거동을 살피던 중, 계면이 스스로 특정한 형태로 돌아오는 이례적 현상을 목격했다. 연구팀은 이 결과가 열역학의 직관, 유변학의 상식, 계면과학의 규칙을 동시에 흔든다고 밝혔다.
레이크는 “처음엔 완전히 당황했고, 복도를 걸어 다니며 교수들에게 질문을 던졌다. 모두가 설명 불가능하다고 말하더라”고 회상한다. 그의 관찰을 들은 토머스 러셀과 데이비드 호글랜드는 즉각적인 검증, 추가 실험, 이론 작업에 착수했고, 현상은 반복적으로 동일한 형태, 동일한 스케일, 동일한 역학으로 재현됐다.
자석이 뒤집은 계면의 상식
일반적으로 에멀전 형성, 미세입자 첨가, 계면장 감소는 함께 움직인다. 작은 입자가 기름-물 경계에 자리 잡으면 계면 에너지가 낮아지고, 혼합은 일시적 안정을 얻는다는 것이 교과서적 설명이다. 하지만 이번 실험에서 강자성 니켈 입자, 정렬된 쌍극자, 집단 상호작용은 오히려 계면을 팽팽하게 만들었다.
강한 자기에 의해 입자들이 계면 위상을 재구성하면서, 혼합물은 늘 같은 ‘그리스 항아리’ 형태, 즉 대칭적 윤곽, 곡률이 뚜렷한 경계, 안팎이 갈리는 패턴으로 되돌아갔다. 다시 흔들어도 모양 회복, 계면 강화, 자기 유도 자기조직화가 반복됐다. 이 거동은 열역학 제1·2법칙 자체를 깨뜨린다기보다, 외부 자기장과 미세구조 배열이 만들어 낸 비정상적 최소 에너지 상태를 시사한다.
핵심 특징은 다음과 같다.
- 계면 장력 증가, 곡률 유도, 형태 안정
- 반복적 재현, 패턴 고정, 비가역적 오인방지
- 자기 구동 자기조립, 입자-계면 상호작용 증폭, 혼합 저항성
- 교란 후 복원, 형태 기억성, 열적 요동 초월적 질서
‘설명 불가능’에서 ‘검증 가능’으로
연구팀은 UMass 애머스트, 터프츠 대학, 시러큐스 대학으로 이어지는 학제 간 협업을 통해 현상을 정량화, 모사, 검증했다. 고해상도 관찰과 수치 시뮬레이션, 계면 자유에너지 모델, 자기 쌍극자 상호작용 항을 결합한 모형이, 왜 계면이 더 휘어지고, 왜 형태가 돌아오며, 왜 에멀전화가 좌절되는지 설명했다. 관건은 입자 배열의 집단성, 자기장 세기-곡률 커플링, 계면장 비선형 증폭이었다.
연구진에 따르면, 흔든 뒤에도 시스템은 무작위 난류로 흩어지지 않고, 특정 곡률 분포, 특정 두께, 특정 대칭성을 가진 준안정 상태로 수렴한다. 이는 표준 이론의 평형 가정, 등방성 가정, 약상호작용 가정을 넘어서는 새 질서 매개 변수의 존재를 암시한다. 러셀은 이렇게 말했다. “무엇이든 일어나선 안 될 일이 되풀이된다면, 물리는 그곳에서 새 규칙을 배운다.”
‘항아리’의 물리: 기대와 관찰의 엇갈림
예상되는 교과서적 경로는 계면장 감소, 에멀전 형성, 교란 후 난류 잔상이다. 관찰된 실제 경로는 계면장 증가, 형태 분리, 교란 후 특정 형상 복귀였다. 이 대조는 상태 공간의 지형이, 입자-계면-자기장 결합으로 새로운 골짜기를 갖게 되었음을 시사한다. 즉, 시스템은 열적 최소가 아니라, 자기-계면 결합 최소로 미끄러져 들어간다.
연구팀의 모델은 나노·마이크로 스케일에서 쌍극자 사슬화, 집합적 배향, 계면 정박이 결합해 유효 장력 항을 키운다고 본다. 그 결과, 곡률 선호성, 형태 기억성, 에너지 장벽 상승이 함께 나타나 혼합의 길을 차단한다. 다시 말해, 형태가 곧 에너지가 된다.
응용 가능성과 한계, 그리고 다음 질문
이번 발견은 즉각적인 산업 변혁을 약속하진 않지만, 연성물질 물리, 스마트 유체, 자기 구동 조립의 지평을 넓힌다. 특히 외장 자극, 미세구조 설계, 계면 공학의 삼각편대가 형태-기능 연계를 정밀하게 다룰 수 있음을 보여준다. 연구비는 NSF, 미 에너지부, 학제 융합 프로그램이 지원했다.
가능한 응용 시나리오는 다음과 같다.
- 프로그래머블 유체: 외부 자기장으로 형태, 점도, 투과성을 실시간 제어
- 자기 유도 자가조립 재료: 형상 고정, 자기복원, 결함 치유 기능 탑재
- 액-액 분리 공정: 재현 가능한 경계 형성으로 선택적 분리 효율 향상
- 약물 캡슐화: 계면 안정과 형태 기억성으로 방출 프로파일 정밀 제어
동시에 해결해야 할 과제도 분명하다. 스케일 업, 에너지 효율, 자기장 안전성을 어떻게 보장할 것인가. 입자 크기 분포, 자화 세기, 용매 조성에 따른 상전이 지도를 어떻게 그릴 것인가. 그리고 이 현상이 온도 구배, 전기장 결합, 전단 유동과 만날 때, 새로운 상이 더 나타나는가.
과학이 배운 것
이 사건은 법칙의 붕괴가 아니라 경계 조건의 확장이었다. 열역학은 닫힌 평형계에서 최소 자유에너지를 이야기하지만, 자기 구동 계면과 구속된 미세구조는 다른 최소를 만든다. 이번 연구는 외부 장-미세구조-계면의 삼자 결합이 예상 밖의 질서, 복원하는 형태, 강화된 경계를 낳을 수 있음을 보여줬다. 과학은 때때로 우연, 당혹, 끈질긴 검증을 통해, 새 질문, 새 모델, 새 도구를 얻는다. 이번 ‘항아리’의 물리가 바로 그 증거다.
