기체 상태의 수증기가 액체-물이 되는 상전이는 “nucleation“ 이라는 과정에 의해 이루어진다. 그런데 nucleation 의 가장 첫 단계, 즉 수증기가 물이 된 첫 순간은 가장 중요한 순간임에도 불구하고 실험적으로 연구하기 어려웠다. 또한 이론적으로 이 critical nucleus는 거시적으로 유도된 열역학적 방정식인 켈빈 방정식으로 기술되어 왔는데 이 방정식을 나노미터 이하의 스케일에도 적용할 수 있을지는 오랫동안 논란이 되어왔다.
한편, 액체-기체 계면에서 표면장력이 계면의 곡률에 따라 달라진다는 사실은 70년 전에 이론적으로 증명되었다. 그러나 그 변화를 유의미하게 측정하려면 계면의 곡률반경이 수 나노 스케일까지 작아져야한다. 측정 방법과 장비의 한계로 이렇게 작은 스케일에 대한 직접적 연구는 오랫동안 이루어지지 못했다.
제원호 교수 연구팀은 자체 개발한 수정진동자와 나노크기 탐침이 결합된 원자힘 현미경을 이용하여 탐침과 바닥 표면 사이 수 나노미터 간격에 큰 음의 곡률을 가진 물기둥을 형성할 수 있었다. 연구팀은 이 원자힘 현미경으로 탐침과 바닥 표면사이에 물기둥이 형성되는 순간 두 표면사이의 거리를 측정하여 물기둥의 곡률을 구하고, 이를 기존에 있던 응결이론(Kelvin equation)과 비교하여 차이를 발견했다. 그리고 이 이론과 실험결과의 차이가 표면장력의 곡률 의존성에 기인한다는 사실을 밝혔다. 이 연구는 거시적으로 유도된 열역학 이론이 1 나노 이하 영역까지 적용될 수 있다는 것을 보였고, 순수한 물이라도 액체-기체 계면이 큰 음의 곡률을 가지면 표면장력이 증가한다는 것을 실험적으로 발견했다. 본 연구는 분자 수준 차원에서 nucleation과 표면장력에 대한 이해를 심화하였으며, 구름이나 응결핵 생성 등 기상현상의 미시적 이해에도 기여할 수 있을 것이다. 이 연구는 한국연구재단 리더연구자사업 지원으로 이루어졌다.
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