얼음 거동을 기술할 수 있는 새로운 이론

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-14

독일 율리히 연구 센터의 Bo Persson는 미끄러운 얼음 위로 스케이트와 같은 단단한 물질이 지나갈 때 어떻게 되는지를 기술할 수 있는 새로운 이론을 고안하였다. 이 새로운 이론은 실험 데이터와 잘 일치하며 미끌어지는 시스템을 더 잘 기술할 수 있게 해줄 것이다. 그것은 또한 빙하의 움직임이나 다른 자연적으로 발생하는 프로세스를 설명할 수 있는 얼음 마찰의 기본적인 이해에 기여할 수 있을 것이다. 얼음이 미끄럽다고 말하는 것은 그것이 낮은 마찰을 가지고 있다고 말하는 것이지만, 얼음의 마찰을 예측하는 것은 쉬운 일이 아니다. 얼음은 그 자체로는 미끄럽지 않지만 그 표면에 얇은 수막이 형성되면 미끄럽게 된다. 물은 마찰이 얼음을 녹일 때 나타날 수 있다. 또는 자연적인 고체가 액체 상으로 변할 때 발생한다. 이것은 심지어 물의 어는 온도보다 매우 낮은 온도의 표면 근처에서 발생할 수 있다. 이런 현상은 이미 150년 전 영국의 물리학자인 마이클 패러데이가 두 얼음 큐브를 서로 접촉시켰을 때 서로 달라붙는 것을 관측하였을 때 발생하였다. 그는 두 개의 얼음 큐브가 접촉하였을 때 어는 얼음의 표면상에 액체 같은 층이 있다고 결론지었다. 얼음 마찰을 더 복잡하게 만드는 것은 얼음과 미끌어지는 물체 사이에 접촉이 두 고체 사이의 경계면에서 발생한다는 사실이다. 이런 감추어진 경계면에서 발생하는 것을 분자 수준에서 직접적으로 연구하는 것은 거의 불가능하다고 Persson은 말하였다. 그 이유는 고체 물질이 접촉면을 봉쇄하기 때문에 경계면에서 이온 또는 전자와 같은 입자들을 연구하기 위해서 그것을 산란시킬 수 없기 때문이다. 비론 자유로운 얼음 표면의 상단층의 사전 용해(premelting)가 이론 및 실험적으로 널리 연구되었지만, 얼음과 다른 고체 물질 사이의 감추어진 접촉면에 그 결과를 적용시킬 수 있는 범위는 분명하지 않다고 Persson는 말하였다. 그러나 온도 및 미끌어지는 속도가 얼음의 마찰에 어떻게 영향을 미치는지를 보여주는 다양한 실험 데이터가 존재한다. Persson의 주요 연구 업적은 얼음 마찰의 이론적 기술을 실험 데이터와 연계시킬 수 있는 혁신적인 방법을 개발한 것이다. 그는 마찰 전단 스트레스를 기술하는 방정식을 개발함으로써 이를 가능하게 하였다. 이런 스트레스는 표면에 평행한 힘으로부터 실제 접촉면이 경험하는 스트레스이다. 이 방정식은 전단 스트레스가 어떻게 표면에서 얼음 온도에 의존하는지를 보여준다. 이 방정식은 자유 표면과 같이, 감추어진 얼음 경계면이 사전 용해 거동을 보여준다는 것을 암시한다. 가장 중요한 결과는 광범위한 속도 및 온도 범위에서 미끄럼 속도와 온도의 함수로서 얼음 마찰을 설명할 수 있는 현상론적 전단 스트레스 법칙을 만들었다는 것이라고Persson은 말하였다. 이 발견은 얼음의 마찰에 대한 물리적 원인을 더 잘 이해할 수 있게 해줄 것이라고 그는 말하였다. 그는 얼음 마찰 위의 고무에 대한 연구도 수행하고 있다. 이것은 겨울철 자동차 타이어나 신발을 디자인할 때 중요한 것이다. 고무가 얼음을 가로질러 미끌어질 때, 고무의 변형은 마찰을 결정하는데 있어서 중요한 변수가 된다. 궁극적으로 이 연구는 겨울철 안전을 위한 다양한 분야에 유용할 것이다. 그의 연구 결과는 "Ice friction: Role of non-uniform frictional heating and ice premelting"이라는 제목으로 The Journal of Chemical Physics에 발표되었다. 첨부그림: 독일 율리히 연구 센터의 Bo Persson는 미끄러운 얼음의 거동을 기술할 수 있는 새로운 이론을 고안하였다. anewtheoryde.jpg http://phys.org/news/2015-12-theory-ice-slippery-behavior.html