유변학은 연속체 역학의 한 분야로, 고체역학과 유체역학 사이의 물질 거동을 연구하는 학문이다. 탄성, 소성 변형과 점성 흐름을 모두 포함하는 점탄성을 가진 물질을 다루며, 공학, 지구물리학, 생리학 등 다양한 분야에 응용된다. 주요 개념으로는 점탄성, 무차원 수, 전단 박화 및 농화, 항복 응력 등이 있으며, 레오미터를 사용하여 물질의 유변학적 특성을 측정한다. 유변학은 고분자, 솔-겔, 지구물리학, 생리학, 동물학, 식품 및 콘크리트 분야 등에서 널리 활용되며, 유변학자는 이러한 복잡한 액체의 흐름과 부드러운 고체의 변형을 연구하는 학제간 과학자 또는 엔지니어이다.
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유변학은 고전적인 탄성이나 뉴턴 유체 등 연속체 역학의 이론을 보다 일반적이고 복잡한 물질로 확장하면서 발전한 학문 분야이다. 이는 소성과 비뉴턴 점성의 유체역학이라는, 서로 관련 없어 보이는 두 분야를 "어떤 대상도 정적 평형 상태에서 전단 응력을 견딜 수 없다"는 공통된 인식으로 연결한다. 이러한 관점에서 보면, 소성을 나타내는 고체도 일종의 액체로 간주될 수 있다. 유변학의 중요한 과제 중 하나는 실험적 측정을 통해 물질의 변형과 응력(stress) 사이의 관계를 밝히는 것이며, 이러한 실험 기법을 '''유변 측정법'''(rheometry)이라고 한다.
유변학은 공학, 지구물리학 및 생리학 등 다양한 분야에서 중요하게 응용된다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.
'''분체 유변학''' (granular rheology): 분말상 물질의 유동 특성을 연구한다.
'''혈액 유변학''' (hemorheology): 혈액의 흐름 특성과 관련된 성질을 연구한다.
'''사이코유변학'''[32] (psychorheology): 식품의 식감이나 화장품의 사용감처럼 물질이 인체 감각에 미치는 영향을 연구하는 분야이다.
3. 1. 연속체 역학 내에서의 위치
유변학은 실제적으로 연속체 역학을 확장하여 탄성 변형, 점성 및 소성 거동의 조합을 보이는 물질의 흐름을 특성화하는 데 주력하며, 탄성 이론과 뉴턴 유체 역학을 적절히 결합한다. 또한 재료의 미세 또는 나노 구조, 예를 들어 용액 내 고분자의 분자 크기 및 구조 또는 고체 현탁액 내 입자 크기 분포를 기반으로 기계적 거동 (연속체 역학적 규모에서)을 예측하는 데에도 관련이 있다.
유체 특성을 가진 물질은 응력이 가해지면 흐르게 되며, 응력은 면적당 힘으로 정의된다. 응력에는 여러 종류가 있으며 (예: 전단, 비틀림 등), 물질은 서로 다른 응력에 따라 다르게 반응할 수 있다. 이론적 유변학의 많은 부분은 외부 힘과 토크를 내부 응력, 내부 변형률 기울기 및 유속과 연관시키는 데 중점을 둔다.[1][6][7][8]
유변학은 이러한 유형의 변형을 겪는 재료가 정적 역학적 평형 상태에서 응력(특히 전단 응력, 전단 변형이 분석하기 더 쉽기 때문)을 지탱할 수 없다는 점을 인식함으로써 겉보기에 관련이 없는 소성과 비뉴턴 유체 역학 분야를 통합한다. 이러한 의미에서, 소성 변형을 겪는 고체는 유체이지만, 이 흐름과 관련된 점성 계수는 없다. 입자 유변학은 입자 재료의 연속체 역학적 설명을 나타낸다.
유변학의 주요 과제 중 하나는 변형률 (또는 변형률 속도)과 응력 사이의 관계를 측정으로 확립하는 것이지만, 경험적 데이터를 사용하기 전에 프레임 불변성을 보장하는 것과 같은 여러 이론적 발전도 필요하다. 이러한 실험 기술은 유변 측정법으로 알려져 있으며 잘 정의된 ''유변학적 재료 함수''의 결정과 관련이 있다. 이러한 관계는 연속체 역학의 확립된 방법에 의해 수학적으로 처리될 수 있다.
단순 전단 응력장에서 발생하는 흐름 또는 변형의 특성화를 전단 유변학(shear rheology)이라고 한다. 신장 흐름에 대한 연구는 신장 유변학(extensional rheology)이라고 한다. 전단 흐름은 연구하기가 훨씬 더 쉬우므로 신장 흐름보다 전단 흐름에 대한 실험 데이터가 훨씬 더 많이 있다.
4. 주요 개념
유변학은 물질의 변형과 유동, 특히 고체와 유체의 중간적 성질을 보이는 물질의 거동을 연구하는 연속체 역학의 한 분야이다. 고전적인 탄성 이론이나 뉴턴 유체 유체 역학으로는 설명하기 어려운 복잡한 물질들의 거동을 다룬다.[1][6][7][8]
물질은 외부에서 힘이 가해지면 변형되거나 흐르게 되는데, 이때 단위 면적당 작용하는 힘을 응력이라고 한다. 유변학은 이러한 응력과 그에 따른 물질의 변형 또는 변형 속도(변형률) 사이의 관계를 규명하는 데 중점을 둔다.
점탄성: 점성과 탄성의 성질을 동시에 나타내는 것. 많은 실제 물질들이 점탄성 거동을 보인다. (자세한 내용은 점탄성 문단 참조)
유변학은 겉보기에는 관련 없어 보이는 소성과 비뉴턴 유체의 거동을 연결하는 통찰을 제공한다. 즉, 소성 변형을 겪는 고체나 비뉴턴 유체 모두 정적인 역학적 평형 상태에서는 전단 응력을 지속적으로 견딜 수 없다는 공통점을 가진다. 이런 의미에서 소성 변형이 일어나는 고체도 일종의 유체로 간주할 수 있다.
유변학의 주요 과제 중 하나는 실험을 통해 특정 물질의 응력과 변형률(또는 변형률 속도) 사이의 관계를 정량적으로 밝히는 것이다. 이러한 실험적 기법을 유변 측정법이라고 하며, 이를 통해 물질의 고유한 유변학적 특성을 나타내는 함수들을 결정한다.
연구하는 변형의 종류에 따라 유변학은 다음과 같이 나눌 수 있다.
전단 유변학: 단순 전단 응력 하에서의 변형 및 유동 특성을 연구한다. (관련 내용: 전단 박화 및 농화)
신장 유변학: 물질을 잡아 늘이는 신장 흐름 하에서의 거동을 연구한다. 전단 흐름에 비해 실험적으로 연구하기가 더 까다롭다.
4. 1. 점탄성 (Viscoelasticity)
점탄성(visco-elasticity)은 물질이 점성(viscosity)과 탄성(elasticity)의 성질을 동시에 나타내는 것을 의미한다. 이러한 특성 때문에 점탄성 물질에서는 고체역학과 유체역학의 경계가 모호해진다.
점탄성 거동은 물질이 외부 응력에 반응할 때 나타나는 시간 의존적 특성과 관련이 깊다.[9] 물질의 기본적인 거동과 비교하면 다음과 같다.
탄성: 재료에 가해진 응력에 비례하여 변형이 즉각적으로 발생하며, 응력이 사라지면 원래 형태로 완전히 돌아온다. 이는 시간에 영향을 받지 않는 과정이다.
점성: 재료에 가해진 응력에 비례하여 변형률(변형 속도)이 결정된다. 일정한 응력이 가해질 때 변형이 나타나기까지 시간이 걸릴 수 있다.
점탄성: 점성과 탄성의 특징이 함께 나타나는 경우이다. 점탄성 재료는 응력을 받으면 탄성 재료처럼 순간적으로 변형되기도 하고, 동시에 점성 유체처럼 시간에 따라 점진적으로 변형되는 시간 의존적인 특징도 보인다.
4. 2. 무차원 수 (Dimensionless numbers)
유변학에서는 물질의 복잡한 유동 특성을 이해하고 비교하기 위해 여러 무차원 수를 사용한다. 이 무차원 수들은 특정 조건에서 물질이 고체처럼 행동할지, 유체처럼 행동할지, 혹은 그 중간인 점탄성 거동을 보일지를 예측하는 데 도움을 준다.
대표적인 무차원 수로는 데버러 수Deborah numbereng와 레이놀즈 수Reynolds numbereng가 있다.
: 데버러 수: 물질 고유의 완화 시간과 외부에서 관찰하는 시간 척도의 비율을 나타내며, 물질이 얼마나 탄성적 또는 점성적으로 거동하는지를 판단하는 중요한 지표이다.
: 레이놀즈 수: 유체 역학에서 주로 사용되며, 유동에서 관성력과 점성력의 상대적인 크기를 비교하는 데 사용된다. 유변학적으로 복잡한 유체의 흐름 양상(층류 또는 난류)을 이해하는 데 참고할 수 있다.
4. 2. 1. 데버러 수 (Deborah number)
물질의 거동은 스펙트럼의 양 끝단인 비점성 또는 단순 뉴턴 유체와 강성 고체 사이 어딘가에 위치한다. 물질 거동의 차이는 변형 시 나타나는 탄성의 수준과 특성에 따라 결정되며, 이는 물질을 비뉴턴 유체 영역으로 이끈다.
데버러 수(Deborah number)는 유동에서 비뉴턴 유체 거동의 정도를 설명하기 위해 고안된 무차원 수이다. 이는 물질 고유의 완화 시간(relaxation time, 온도 등 조건에 따라 달라짐)에 대한 실험 또는 관찰의 특성 시간 비율로 정의된다.[3][10]
높은 데버러 수: 물질이 탄성 고체 또는 강성 고체처럼 거동한다. 즉, 탄성이 주된 특성이다.
데버러 수는 상대적인 값이므로, 정의에 사용된 두 시간(완화 시간과 관찰 시간) 중 어느 하나가 변하면 데버러 수도 변한다. 예를 들어, 매우 짧은 완화 시간을 가진 유체라도 관찰 시간을 매우 짧게 하면 데버러 수가 커져 고체처럼 보일 수 있고, 반대로 매우 긴 완화 시간을 가진 물질이라도 관찰 시간을 매우 길게 하면 데버러 수가 작아져 유체처럼 흐를 수 있다.
4. 2. 2. 레이놀즈 수 (Reynolds number)
유체 역학에서 레이놀즈 수(Reynolds number)는 점성력에 대한 관성력()의 비율()을 나타내는 무차원 수이다.[1][6][7][8] 이 값은 주어진 흐름 조건에서 점성력과 관성력 중 어느 쪽의 영향이 더 큰지를 정량적으로 보여준다. 레이놀즈 수가 낮으면 점성 효과가 지배적이 되어 흐름은 층류(laminar flow)가 된다. 반면 레이놀즈 수가 높으면 관성력이 지배적이 되어 흐름은 난류(turbulent flow)가 될 수 있다.
유변학에서는 유체의 점도가 고정된 값이 아니라 유동 조건이나 시간에 따라 변할 수 있는 비뉴턴 유체 등을 다루기 때문에, 레이놀즈 수를 계산하는 것이 복잡해질 수 있다.
레이놀즈 수는 유체 역학에서 가장 중요한 무차원수 중 하나이며, 다른 무차원수들과 함께 사용되어 동적 유사성(dynamic similarity)을 판단하는 기준을 제공한다. 기하학적으로 유사한 두 흐름 패턴이 서로 다른 유체와 유속을 가지더라도, 관련된 무차원수들의 값이 같다면 이 두 흐름은 동적으로 유사하다고 본다.
비뉴턴 유체는 가해지는 전단 응력(shear stress)의 크기에 따라 점성이 변하는 유체를 말한다. 이는 뉴턴 유체와 달리 "적용된 전단 응력에 비례하는 변형률을 겪지 않는" 특징을 가진다.
이러한 비뉴턴 유체의 대표적인 거동으로 전단 박화(Shear thinning)와 전단 농화(Shear thickening) 현상이 있다.
전단 박화는 유체에 가해지는 전단 응력이 증가함에 따라 점도가 감소하는 현상이다.
전단 농화는 반대로 전단 응력이 증가함에 따라 점도가 증가하는 현상이다.
이처럼 단순 전단 응력장에서 발생하는 유체의 흐름 또는 변형의 특성을 다루는 것을 '''전단 유변학'''이라고 한다. 전단 흐름은 신장 흐름에 비해 연구하기가 더 쉬워 상대적으로 많은 실험 데이터가 존재한다.
4. 4. 항복 응력 (Yield stress)
물질에 응력을 가했을 때, 소성 변형, 즉 영구적인 변형이 시작되는 최소한의 응력을 항복 응력이라고 한다.[9] 낮은 응력에서는 고체처럼 변형에 저항하던 물질도 항복 응력 이상의 응력을 받으면 유체처럼 흐르기 시작한다.[9] 이처럼 항복 응력은 물질이 고체처럼 행동하는 상태와 유체처럼 흐르는 상태를 구분하는 중요한 기준 중 하나이다.
항복 응력 값의 크기에 따라 다른 용어를 사용하기도 한다. 항복 응력이 매우 높아 소성 변형이 일어나기 어려운 경우 소성 고체라고 부르며, 항복 응력이 비교적 낮아 적은 응력에도 흐름이 시작되는 경우 항복 응력 유체라고 부른다.[9] 하지만 이는 항복 응력 값의 차이에 따른 구분일 뿐, 두 개념 사이에 근본적인 차이가 있는 것은 아니다.[9]
5. 측정
유변학의 주요 과제 중 하나는 물질의 변형률(또는 변형률 속도)과 응력 사이의 관계를 측정하여 정량적으로 확립하는 것이다.[1][6][7][8] 이러한 실험 기술을 유변 측정법(rheometryeng)이라고 하며, 잘 정의된 '유변학적 재료 함수'를 결정하는 것을 목표로 한다. 측정된 관계는 연속체 역학의 방법을 통해 수학적으로 분석될 수 있다.
흐름의 특성에 따라 측정 방법을 분류하기도 한다. 단순 전단 응력장에서 발생하는 흐름이나 변형을 측정하고 분석하는 것을 전단 유변학(shear rheologyeng)이라 하고, 신장 흐름에 대한 연구는 신장 유변학(extensional rheologyeng)이라고 한다. 일반적으로 전단 흐름이 연구하기 더 용이하여 신장 흐름보다 관련 실험 데이터가 훨씬 더 많다.
유변학적 특성을 측정하는 데 사용되는 주요 장비는 레오미터(rheometereng)이다. 레오미터는 측정 대상 물질(주로 용융체나 용액 같은 유체)에 특정 응력장 또는 변형을 가하고, 그 결과로 나타나는 변형 또는 응력을 정밀하게 측정하는 방식으로 작동한다.[1][6][7][8] 레오미터는 다양한 작동 방식과 측정 대상에 따라 여러 종류가 있으며, 측정하려는 물질의 특성과 실험 조건에 맞춰 적합한 종류를 선택하여 사용한다.
5. 1. 레오미터의 종류
토크 레오미터(랩 플라스트 밀)
토크 레오미터는 열가소성 수지, 엘라스토머, 열경화성 수지, 첨가제, 세라믹 및 기타 재료의 토크 변화를 기록하는 장치이다. 믹서 또는 압출기를 부착하여 고분자 재료의 유변학적 특성을 평가한다.
'''믹서 (Mixer)'''
믹서는 베이스와 기어, 탈착 가능한 블록 및 혼련용 블레이드로 구성되며, 블록은 히터로 가열할 수 있다.
'''압출기 (Extruder)'''
압출기는 여러 개의 금속 블록(배럴)으로 구성되어 있으며, 각 금속 블록마다 히터로 온도 제어가 가능하다.
샘플은 스크류의 날에 의해 잘게 썰리고 가열되어 압출되며, 소정의 형태로 배출된다.
압출기 출구에는 T 다이, 와이어 코팅 다이, 가버 다이, 로드 다이, 블로우 필름 다이 등을 장착할 수 있다.
평가 항목은 압출 토크, 서징, 유동 특성, 배럴 및 다이 부분의 재료 온도 변화 및 압력 변화, 다이 부분의 재료 점도, 회전수 특성 등이다.
6. 응용
유변학은 재료 과학, 공학, 지구물리학, 생리학, 인간 생물학 및 제약 분야 등 다양한 영역에서 응용된다.[1][6][7][8] 복잡한 유동 특성을 보이는 물질의 생산 및 가공, 자연 현상의 이해, 생체 시스템 분석 등 광범위한 문제 해결에 유변학적 원리가 적용되고 있다. 예를 들어, 산업적으로 중요한 여러 재료의 생산 공정을 최적화하거나, 용암이나 토석류와 같은 지질학적 흐름을 분석하고, 혈액과 같은 생체 유체의 거동을 이해하는 데 필수적이다. 또한, 의약품이나 식품의 제형 개발 및 품질 관리에도 유변학적 지식이 활용된다.
6. 1. 재료 과학
유변학은 재료 과학 및 공학 분야에서 광범위하게 응용된다.[1][6][7][8] 특히 시멘트, 페인트, 초콜릿과 같이 복잡한 유동 특성을 보이는 산업적으로 중요한 물질들의 생산 과정에 유변학적 지식이 활용된다. 또한 금속 성형 공정을 설계하는 데 소성 이론이 중요하게 적용되어 왔다. 고분자 재료의 생산과 사용에 있어서 점탄성 특성을 이해하고 제어하는 것은 산업 및 군사 분야에서 사용되는 많은 제품의 개발에 필수적이다.
6. 1. 1. 고분자 (Polymers)
유변학 원리는 고무, 플라스틱, 섬유 등 고분자의 가공[11] 및 사용과 관련된 실제 문제 해결에 중요하게 적용된다. 고분자는 고무 및 플라스틱 산업의 기본 재료일 뿐만 아니라, 섬유, 석유, 자동차, 제지, 제약 등 다양한 산업 분야에서 핵심적인 역할을 수행한다. 고분자의 점탄성 특성은 이들 산업에서 생산되는 최종 제품의 기계적 성능과 생산 중간 단계에서의 가공 성공 여부를 결정하는 중요한 요소다.
대부분의 고분자와 같은 점탄성 물질은 외부 힘(하중)이 가해지는 속도에 따라 액체처럼 흐르거나 고체처럼 거동하는 특성을 보인다. 예를 들어, 실리콘 기반의 장난감 '실리 퍼티'는 힘이 가해지는 속도에 따라 매우 다르게 거동한다. 천천히 잡아당기면 점성이 높은 액체처럼 연속적으로 늘어나지만, 빠르고 강한 충격을 받으면 규산염 유리처럼 부서진다.
또한, 일반적인 고무는 특정 온도 이하에서 유연성을 잃고 단단해지는 유리 전이 현상을 겪는다. 이러한 현상은 실제 산업 현장에서 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 1986년 우주왕복선 ''챌린저''호 참사는 발사 당일의 추운 날씨 때문에 고체 로켓 부스터의 고무 O링이 유리 전이 온도보다 낮은 환경에 노출되어 탄성을 잃고 밀봉 기능을 제대로 수행하지 못한 것이 주요 원인 중 하나로 지목되었다.
고분자에 충전재를 첨가하는 것은 생산 비용을 절감하고 기계적, 열적, 전기적, 자기적 특성 등 원하는 물성을 부여하기 위해 널리 사용되는 방법이다. 그러나 충전재 첨가는 시스템의 유변학적 거동을 더 복잡하게 만드는 단점이 있다.[29] 충전재 사용 시에는 고체 상태에서의 기계적 물성 향상이라는 장점과 용융 가공의 어려움 증가, 충전재의 균일한 분산 문제, 추가 혼합 공정에 따른 비용 증가 등의 단점 사이에서 적절한 타협점을 찾아야 한다. 충전된 고분자의 유변학적 특성은 충전재의 종류와 함량, 그리고 입자의 모양, 크기, 크기 분포에 의해 결정된다. 일반적으로 충전재 함량이 증가하면 시스템의 점도도 높아지는데, 이는 입자 크기 분포를 최적화하는 패리스 효과 등을 통해 부분적으로 완화될 수 있다. 충전재와 고분자 매트릭스 계면에서의 응력 전달 또한 중요한 요소이며, 계면 접착력을 향상시키기 위해 커플링제를 이용한 충전재 표면 처리가 이루어지기도 한다. 충전재 함량이 높은 재료의 유변학적 특성을 평가할 때는 실제 변형과 측정값 사이에 큰 차이를 유발할 수 있는 벽면 미끄러짐 현상을 고려하는 것이 중요하다.[30]
고분자의 유변학적 특성을 측정하고 평가하기 위해 토크 레오미터와 같은 장비가 사용된다. 토크 레오미터는 믹서나 압출기를 부착하여 실제 가공 조건과 유사한 환경에서 고분자에 가해지는 토크(회전력) 변화를 측정한다. 이를 통해 재료의 점도, 유동성, 가공 안정성 등 다양한 유변학적 물성을 파악할 수 있다. 믹서는 주로 배치(batch) 단위로 재료를 혼합하며 가열 및 혼련 과정에서의 토크 변화를 측정하고, 압출기는 연속 공정으로 스크류를 통해 재료를 이송, 용융, 압출하면서 압출 토크, 압력 변화, 온도 변화 등을 측정하여 유변학적 특성을 평가한다.
6. 1. 2. 솔-겔 (Sol-gel)
테트라에틸오르토실리케이트 (TEOS)와 물의 중합 과정을 통해 비정질 수화된 실리카 입자(Si-OH)를 형성하는 것은 다양한 방법으로 유변학적으로 모니터링할 수 있다.
점도를 적절한 범위로 조절한 졸을 이용하여 광학 품질의 유리 섬유와 내화성 세라믹 섬유를 인출할 수 있다. 이렇게 만들어진 섬유는 각각 광섬유 센서 및 단열재에 사용된다. 가수 분해와 축합 메커니즘, 그리고 생성물의 구조(선형 또는 분지형) 형성에 영향을 미치는 유변학적 요소들은 졸-겔 과학 및 기술 분야의 중요한 연구 주제이다.
6. 2. 지구물리학
유변학은 지구물리학 분야에서도 중요하게 쓰인다. 지구물리학에서는 녹은 용암의 흐름이나 토석류(유동성 진흙 사태)와 같은 현상을 연구하는 데 유변학을 활용한다. 또한, 오랜 시간에 걸쳐 서서히 흐르는 고체 상태의 지구 물질도 유변학의 연구 대상이다. 이러한 점성 거동을 보이는 물질을 레이드(rheide)라고 부른다. 예를 들어, 화강암은 실온에서도 아주 느리게 소성적으로 흐를 수 있는데, 이는 점성 흐름의 일종으로 볼 수 있다. 약 10년에 걸친 장기 크리프 실험 결과, 상온에서 화강암과 유리의 점성도는 1020푸아즈 정도로 측정되었다.
6. 3. 생리학
생리학 분야에서는 혈액, 점액, 관절액 등 복잡한 구조와 조성을 가진 다양한 생체 유체의 유동 특성을 연구한다. 이러한 유체들은 점탄성과 같은 복잡한 흐름 특성을 나타낸다.[38]
특히 혈액의 흐름을 전문적으로 다루는 혈액유변학(hemorheology)이라는 연구 분야가 있으며, 이는 하위 섹션에서 자세히 다룬다.[38][39] 또한 안구의 유리체 역시 유변학적 연구 대상이며, 특히 노화와 관련된 변화나 합액(synaeresis) 연구에서 중요하게 다뤄진다.[38]
6. 3. 1. 혈액 유변학 (Hemorheology)
혈액유변학은 혈액과 그 구성 요소(혈장, 적혈구, 백혈구, 혈소판 등 형성 요소)의 흐름 특성을 연구하는 생리학의 한 분야이다.[14][38] 혈액 점도는 혈장 점도, 적혈구용적률(헤마토크릿, 세포 성분의 99.9%를 차지하는 적혈구의 부피 분율), 그리고 적혈구 자체의 기계적 거동에 의해 결정된다. 따라서 적혈구 역학은 혈액의 전반적인 흐름 특성을 결정하는 데 매우 중요한 요인이다.[14][38] (참고로 안구의 유리체 역시 유변학적 연구 대상이며, 특히 나이가 들면서 발생하는 유리체 액화나 합액 현상 연구에서 중요하게 다뤄진다.)[14][38]
혈액은 비뉴턴 유체의 특성을 보이는데, 가장 대표적인 특징은 정상적인 전단 흐름 상태에서 나타나는 전단 박화(shear thinning) 현상이다.[15][39] 이 외에도 혈액은 의가소성(pseudoplasticity), 점탄성, 요변성(thixotropy)과 같은 다른 비뉴턴 유변학적 특성들을 나타낼 수 있다.[15][39]
현재 혈류를 예측하고 전단 박화 반응을 설명하려는 두 가지 주요 가설이 존재한다. 이 모델들은 가역적인 적혈구 응집 현상의 원인을 설명하려고 시도하지만, 그 정확한 메커니즘에 대해서는 아직 논의가 진행 중이다. 적혈구 응집은 혈액의 점도와 혈액 순환에 직접적인 영향을 미치는 중요한 현상이다.[16][40]
가교(Cross-bridging) 가설: 거대 분자(예: 피브리노겐)가 인접한 적혈구 표면에 흡착하여 물리적으로 서로 연결함으로써, 염주(rouleaux프랑스어) 형태의 군집 구조를 만든다고 설명한다.[15][16][39][40][41]
공핍층(Depletion layer) 가설: 반대로, 적혈구 주변의 거대 분자가 부족한 '공핍층'이 서로 겹쳐지면서 발생하는 삼투압 구배가 적혈구들을 서로 끌어당겨 결합시킨다고 설명한다.[15][39]
이러한 적혈구의 염주(rouleaux프랑스어) 응집 경향은 전혈(whole blood)의 유변학적 특성에서 적혈구용적률과 피브리노겐 농도를 통해 설명될 수 있다.[15][39] 연구자들은 시험관 내에서 이러한 세포 간 상호작용을 측정하기 위해 광학 집게(optical trapping)나 미세유체학(microfluidics) 같은 기술들을 사용한다.[16][40]
혈액유변학 연구의 기초는 혈액뿐만 아니라 다른 생체 유체의 모델링에도 중요한 정보를 제공할 수 있다.[15][39]
6. 3. 2. 질병 및 진단
혈액유변학(hemorheology)은 혈액과 그 구성 요소(혈장, 적혈구, 백혈구, 혈소판 등 형성 요소)의 흐름 특성을 연구하는 유변학의 한 분야이다. 혈액 점도는 혈장 점도, 적혈구용적률(hematocrit, 전체 세포 성분의 약 99.9%를 차지하는 적혈구의 부피 분율), 그리고 적혈구 자체의 기계적 거동에 의해 결정된다. 이 때문에 적혈구의 역학은 혈액의 전반적인 흐름 특성을 이해하는 데 매우 중요하다.[38] 눈의 유리체 역시 노화와 관련된 액화 현상 연구 등에서 유변학적 관찰 대상이 된다.[38]
혈액은 다양한 비뉴턴 유체적 특성을 나타내는데, 가장 대표적인 것이 정상적인 전단 흐름 상태에서 점도가 감소하는 전단 박화(shear thinning) 현상이다. 이 외에도 거짓가소성(pseudoplasticity), 점탄성, 요변성(thixotropy)과 같은 복잡한 유변학적 성질을 보인다.[39]
이러한 혈액의 점도 변화는 여러 질병과 밀접한 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 혈액 점도가 비정상적으로 높아지는 과다점성(hyperviscosity) 상태를 비롯하여 고혈압, 겸상 적혈구 빈혈, 당뇨병 등이 혈액의 유변학적 특성 변화와 연관될 수 있다.[39] 따라서 혈액유변학적 측정법은 이러한 질병들의 진단 및 예방 조치를 위한 중요한 도구로 활용될 가능성이 있으며, 게놈 테스트 기술과 결합하여 진단 정확도를 높이는 데 기여할 수 있다.[39][42]
혈액유변학은 노화 과정에서 나타나는 혈액 유동성 저하 현상과도 관련이 있다. 일부 연구에서는 규칙적인 신체 활동이 혈액의 유변학적 특성을 개선하여 혈액 순환을 원활하게 하는 데 긍정적인 영향을 줄 수 있음을 시사한다.[43]
6. 4. 동물학
많은 동물들은 유변학적 현상을 활용한다. 예를 들어, 모래뱀은 마른 모래의 입자 유변학을 이용하여 모래 속을 헤엄치듯 이동한다. 또한, 복족류는 접착성 동물 이동을 위해 달팽이 점액의 유변학적 특성을 이용한다. 일부 동물들은 특수한 내인성 복합 유체를 만들어내기도 한다. 벨벳벌레는 먹이를 붙잡기 위해 끈적한 점액을 분사하고, 먹장어는 포식자로부터 자신을 보호하기 위해 물속에서 빠르게 굳는 점액을 분비한다.[19]
6. 5. 식품 유변학 (Food rheology)
식품 유변학은 치즈[20]나 젤라토[21]와 같은 식품의 제조 및 가공 과정에서 중요한 역할을 한다. 또한 소스,[22]드레싱,[23]요구르트,[24] 또는 퐁듀[25]와 같이 우리가 흔히 접하는 많은 식품을 만족스럽게 섭취하는 데에도 적절한 유변학적 특성이 중요하다. 이는 식품의 점도, 탄성, 질감 등이 소비자의 기호에 큰 영향을 미치기 때문이다.
식품의 유변학적 특성을 조절하기 위해 증점제(thickening agent)가 사용되기도 한다. 증점제는 수용액 혼합물에 첨가될 때 맛과 같은 다른 특성을 크게 바꾸지 않으면서 점도를 높이는 물질이다. 증점제는 식품에 특정한 질감을 부여하고, 안정성을 높이며, 첨가된 성분이 가라앉거나 분리되지 않도록 현탁 상태를 유지하는 데 도움을 준다. 이러한 이유로 증점제는 식품 첨가물로 널리 사용되며, 화장품이나 개인 위생 용품에도 사용된다.
일부 증점제는 젤을 형성하는 '''젤화제'''(gelling agent)로 작용하기도 한다. 젤화제는 액체 상태의 용액, 에멀젼, 현탁액 등을 농축시키고 안정화시키는 물질이다. 이들은 액체 속에서 약하게 서로 뭉치는 내부 구조를 형성하는 콜로이드 혼합물 형태로 녹아 들어간다. 식품에 사용되는 증점제는 주로 다당류(전분, 식물성 검, 펙틴 등)나 단백질을 기반으로 만들어진다.[26][27]
한편, psychorheology|사이코유변학영어[32]은 식품을 입안에서 느끼는 질감이나 목 넘김과 같이 물질의 성질과 관련된 사람의 감각적, 심리적 측면을 연구하는 분야로, 식품 유변학과 밀접한 관련이 있다.
6. 6. 콘크리트 유변학 (Concrete rheology)
콘크리트와 모르타르의 작업성은 아직 굳지 않은 시멘트 페이스트의 유변학적 특성과 밀접한 관련이 있다. 콘크리트가 굳은 후의 기계적 특성(강도 등)은 배합 시 물을 적게 사용할수록 향상되는 경향이 있다. 하지만 물과 시멘트의 비율(물-시멘트비)을 낮추면 반죽이 뻑뻑해져서 혼합하거나 시공하기 어려워지는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하고 작업성을 개선하기 위해 고성능 감수제와 같은 화학 혼화제를 사용한다. 고성능 감수제는 굳지 않은 시멘트 페이스트의 겉보기 항복 응력(흐르기 시작하는 데 필요한 최소한의 힘)과 점도(끈적거리는 정도)를 낮추는 역할을 한다. 이를 통해 물 사용량을 줄이면서도 콘크리트나 모르타르의 유동성을 확보할 수 있으며, 결과적으로 재료의 전반적인 성능을 크게 향상시키는 데 기여한다.[28]
6. 7. 기타 응용 분야
유변학은 재료 과학, 공학, 지구물리학, 생리학, 인간 생물학 및 제약 등 다양한 분야에서 응용된다. 재료 과학에서는 시멘트, 페인트, 초콜릿과 같이 복잡한 유동 특성을 가진 여러 산업적으로 중요한 물질의 생산에 유변학적 지식이 활용된다. 또한, 소성 이론은 금속 성형 공정 설계에 중요하게 적용되어 왔으며, 고분자 재료의 생산 및 사용에서 점탄성 특성을 파악하는 것은 산업 및 군사 분야에서 사용되는 많은 제품 생산에 필수적이다.
액체의 유동 특성에 대한 연구는 단순 액체뿐만 아니라 연고, 크림, 페이스트 등 다양한 제형을 제조하는 약사에게 중요하다. 약학 분야에서는 가해진 응력 하에서 액체가 어떻게 흐르는지가 매우 중요하며, 이러한 유동 특성은 제품의 우수성을 유지하고 생산 배치 간의 품질 변동을 줄이기 위한 중요한 품질 관리 도구로 사용된다.
유변학은 다음과 같은 특수한 응용 분야도 가지고 있다.
'''분체 유변학''' (granular rheology): 분말상 물질의 유변학적 특성을 다룬다.
'''혈액 유변학''' (hemorheology 또는 blood rheology): 혈류의 성질에 대한 연구 분야이다.
'''사이코유변학'''[32] (psychorheology): 식품을 먹을 때 입안에서의 느낌이나 목 넘김, 또는 화장품 등이 피부에 닿을 때의 감촉과 같이 물질의 성질과 관련된 정신적인 측면을 대상으로 하는 분야이다.
7. 유변학자 (Rheologist)
유변학자는 복잡한 액체의 흐름 또는 부드러운 고체의 변형을 연구하는 학제간 과학자 또는 엔지니어이다. 유변학은 특정 학문의 주 전공 과목이 아니며, '유변학자'라는 별도의 자격증이 있는 것은 아니다. 대부분의 유변학자는 수학, 물리 과학(예: 화학, 물리학, 지질학, 생물학), 공학(예: 기계 공학, 화학 공학, 재료 공학, 토목 공학), 의학, 또는 특정 기술(특히 재료 과학이나 식품 과학) 분야의 배경 지식을 갖추고 있다. 일반적으로 학위 과정에서 유변학의 일부를 접할 수 있으며, 유변학 분야에서 활동하는 사람들은 대학원 연구, 단기 강좌 수강, 전문 협회 가입 등을 통해 전문성을 심화시킨다.
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