Science

구조적으로 복잡한 물질 마찰 특성 연구

장종엽엔에스 2015. 1. 13. 08:37

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-13
미국 라이스 대학 연구진은 콘크리트와 같은 구조적으로 복잡한 물질이 서로에 대해서 마찰될 때 나노스케일 상에서 어떤 현상이 발생하는지를 보여주는 연구 논문을 발표하였다. 이들 물체가 마찰할 때 생성된 스크래치들은 물질 특성에 관한 다양한 정보를 제공하여 준다. 이들 연구진은 처음으로 복잡한 입자 기반 물질의 기계적 특성에 어떻게 원자 수준의 힘이 영향을 미치는지를 보여주는 복잡한 계산을 수행하였다.

그들의 기술은 특정한 응용을 위해 적합하도록 균열에 민감하지 않은 물질의 화학적 특성을 조율할 수 있는 새로운 방법을 개발할 수 있다. 이들의 연구 결과는 American Chemical Society journal Applied Materials and Interfaces 저널에 발표될 예정이다. 이들의 연구는 모델 입자 시스템으로서 칼슘-실리케이트-하이드레이트(C-S-H)를 이용하였다.

이들 연구진은 C-S-H 물질의 원자 스케일 모델 개발을 수행하였다. C-S-H는 콘크리트에서 작은 자갈 및 모래를 결합하는 역할을 한다. 비록 그것은 굳기 전에 풀같이 보이지만, 개별적인 나노스케일 입자로 이루어졌다. C-S-H 및 더 큰 입자들 사이의 상호작용에 영향을 미치는 이런 반 데르 발스 및 쿨롱 힘은 물질의 전반적인 세기 및 파손 특성에 핵심적인 역할을 한다고 연구진은 말하였다.

연구진은 나노스케일 메커니즘을 자세히 관측하였다. 물질에 대한 마찰의 고전적인 연구는 오랫동안 지속되어 왔다고 말하였다. 표면을 거칠게 만들면, 마찰은 증가한다. 그런 방식은 미끄럼을 방지하기 위해서 산업계에서 보통 사용하는 기술이다. 거친 표면은 미끄럼을 방지한다. 이들 연구진은 이런 보통의 기계적 기술 이외에도 표면 화학 변조가 마찰에 크게 영향을 미칠 수 있으며 따라서 입자 시스템의 기계적 특성에도 영향을 미친다는 것을 발견하였다.

이들 연구진은 그것은 예를 들면C-S-H의 칼슘과 같은 단일 원소의 벌크 양이 입자 시스템의 기계적 특성을 직접적으로 조절할 수 있다는 잘못된 개념이라고 말하였다. 이들 연구진은 내부 입자 특성을 조절하는 것은 그들의 표면 상호작용을 조절하는 것과는 완전히 다르다는 것을 발견하였다. 표면에서의 더 많은 칼슘 양은 마찰을 향상시킬 것이며 따라서 어셈블리의 세기를 증가시키고 더 낮은 칼슘 양은 각 입자의 세기를 향상시킨다. 이것은 상반되는 것처럼 보이지만, 단일 시스템에 대한 기계적 특성을 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다. 가상 시멘트 탐침의 팁에서, 원자의 위치는 칼슘 및 실리케이트에 의해 좌우된다.

연구진은 또한 분자들 사이의 자연적인 반 데르 발스 인력의 기여가 C-S-H에서 쿨롱 힘보다 훨씬 더 중요하다는 것을 발견하였다. 그것은 주로 칼슘 때문이라고 연구진은 말하였다. 그들의 이론을 테스트하기 위해서, 이들 연구진은 C-S-H와 매끄러운 토버모라이트의 컴퓨터 모델링을 수행하였다. 그들은 팁을 표면 상에서 끌어 흠집을 내고 원자들을 밀어 옮기기 위해서 얼마나 단단해야 하는지를 조사하였다.

이들 연구진의 스크래치 시뮬레이션은 연관된 힘과 기계역학의 핵심적인 문제에 대한 솔루션을 제공하였을 뿐만 아니라 토버모라이트의 고유한 파손 강도를 예측할 수 있게 해주었다. 이들 연구진은 원자 수준의 분석은 세라믹, 모래, 분말, 알갱이 그리고 현탁액을 포함한 광범위한 비결정질 물질 향상에 도움이 될 수 있을 것이라고 말하였다. 이들 연구진은 연구 결과는 "Molecular Mechanistic Origin of Nanoscale Contact, Friction and Scratch in Complex Particulate Systems"라는 제목으로 ACS Appl. Mater. Interfaces에 발표될 예정이다.

첨부그림 1: 라이스 대학 과학자들에 의한 컴퓨터 시뮬레이션에서 칼슘-실리케이트-하이드레이트가 토버모라이트(tobermorite) 표면 위에 부양되어 있다. 이들 연구진은 입자 시스템에서 원자 수준의 힘이 마찰이 인가되었을 때 어떻게 상호작용하는지를 연구하였다. 이들의 계산은 그와 같은 물질이 물질의 화학적 결합 특성을 조절함으로써 어떻게 향상될 수 있는지를 보여줄 수 있다.

첨부그림 2: 라이스 대학의 연구진은 다양한 표면에서 마찰을 시뮬레이션함으로써 입자 시스템의 화학적 구성이 그들의 재료 세기에 영향을 미친다는 것을 보여주었다.