다공성 매질 내 콜로이드 확산

오염물질 정화부터 약물 전달에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 다공성 매질 내 콜로이드 이동을 예측하고 제어하는 것은 필수적입니다. 이러한 복잡한 환경에서 용질 농도 기울기는 어디에나 존재하며 확산영동(diffusiophoresis)에 의한 입자 이동을 유발할 수 있지만, 거시적 콜로이드 분산에 미치는 영향은 아직 잘 알려져 있지 않습니다. 본 연구는 실험과 시뮬레이션을 결합하여 확산영동이 2차원 규칙/불규칙 다공성 매질에서 콜로이드 덩어리의 확산에 어떻게 영향을 미치는지 정량화했습니다. 고농도의 콜로이드와 염분을 포함하는 덩어리를 저농도 염분으로 채워진 매질에 주입하고 배경 유동으로 이류시켰습니다. 직관적으로는 콜로이드가 용질이 풍부한 덩어리에 끌리거나 반발할 때 분산이 억제되거나 촉진될 것으로 예상되지만, 실제로는 반대 경향이 관찰되었습니다. 즉, 인력의 경우 종방향 분산이 촉진되었고, 반발력의 경우 분산이 억제되었습니다. 수치 시뮬레이션 결과, 이러한 역전 현상은 느린 유선과 빠른 유선 사이에서 발생하는 확산영동적 입자 교환 때문이며, 이는 결합된 느리고 빠른 플러그 유동의 최소 2층 모델로 설명될 수 있음을 밝혔습니다. 마지막으로, 매질의 기하학적 무질서가 이러한 메커니즘을 어떻게 조절하는지 탐구했습니다. 본 연구 결과는 확산영동이 다공성 매질 내 콜로이드의 거시적 분산을 강력하게 조절할 수 있음을 보여주며, 이는 지하 및 생물학적 환경에서의 물질 수송에 중요한 시사점을 제공합니다.