젤(Gel) 상태의 나노 실리카 구조물에서 액체를 기체로 치환하는 원리가 어떻게 되나요?

Question

세상에서 가장 가벼운 고체로 불리는 에어로젤은 부피의 99% 이상이 공기로 채워져 있어 뛰어난 단열재로 쓰입니다. 젤(Gel) 상태의 나노 실리카 구조물에서 액체를 기체로 치환하는 원리가 어떻게 되나요?

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안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

에어로젤이 고체로 된 연기라고 불릴 만큼 가벼우면서도 나노 구조를 유지할 수 있는 비밀은 바로 초임계 건조라는 핵심 기술에 있습니다. 액체를 그대로 증발시키면 나노 구조가 파괴되기 때문에, 액체와 기체의 경계가 사라지는 특수한 물리적 상태를 이용하여 액체를 빼내는 것인데요. 그 구체적인 원리를 설명해 드릴게요.

실리카 젤 내부의 나노 구멍은 액체로 가득 차 있는데, 이 액체를 그냥 햇볕에 말리거나 열을 가해 일반적인 방식으로 증발시키면, 액체가 기체로 변하면서 액체-기체 계면이 형성됩니다. 이때 강력한 표면장력에 의해 액체가 나노 벽면을 끌어당기는 모세관 압력이 발생하는데, 이 압력을 견디지 못하고 섬세한 3차원 실리카 나노 골격이 찌그러져 쪼그라들게 됩니다. 따라서 실리카 골격을 부수지 않고 액체만 쏙 빼내려면 표면장력을 0으로 만든 상태에서 건조해야 합니다. 이를 위해 물질의 초임계 상태를 이용합니다. 온도와 압력을 한계점 이상으로 높이면, 물질은 액체처럼 밀도가 높으면서도 기체처럼 확산이 빠른 제3의 상태인 초임계 유체가 됩니다.

즉, 액체와 기체의 경계를 없애는 초임계 상태를 만들어 나노 구조에 가해지는 물리적인 표면장력을 무력화시킨 뒤 액체를 기체로 빠져나가게 하는 것이 에어로젤 탄생의 핵심 원리입니다.