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의자를 끌 때 “드르륵”하는 소리나, 공작기계에서 “덜덜덜”하는 등의 현상은 ‘마찰력’ 증가에 의한 ‘스틱-슬립 현상’으로 설명된다. 이러한 현상이 물 분자의 개수가 헤아릴 수 없을 정도로 작은 물 나노 크기의 물인 ‘나노스케일 물’에 의한 나노 표면 마찰력 증가로 인해 발생할 수 있다는 사실을 전북대학교 안상민 교수(자연대 물리학과) 연구팀이 최초로 입증해 학계의 주목을 받고 있다.
우리가 살아가는 데 있어 가장 흔하게 접하면서 유용한 힘인 마찰력의 원리가 눈에 보이지 않지만 자연현상에 많이 존재하는 ‘나노스케일 물’에 의해서도 정의될 수 있다는 것을 밝혀낸 것이다.
이번 연구 성과는 나노 분야 세계적 저널인 『Nano Research (IF = 8.897)』에 5월호에 게재됐다. (논문명: Capillary grip-induced stick-slip motion) 서울대 제원호 교수, 충북대 이만희 교수, 삼성종합기술원 김봉수 박사가 공동 연구를 수행했다.
마찰력의 근원은 눌리는 힘에 의해 접촉된 부분이 순간적으로 붙는 ‘냉용접 현상’으로 설명할 수 있는데, 이렇게 붙여진 상태를 떼어 내기 위해서 어느 이상의 힘(정지마찰력)을 가해야만 움직이게 되는 것이다. 움직이면서도 계속 마찰력(운동마찰력)을 느끼면서 진행하게 되고, 붙여지는 영역이 많아지는 지점을 만나면 또 멈춘다. 이러한 현상을 스틱-슬립(Stick-Slip)이라고 한다.
이러한 슬립-스틱 현상은 그동안 두 표면 간의 접촉되는 부분의 정지마찰력과 운동마찰력의 반복 작용이라고 여겨졌다. 그러나 이번 연구에서는 접촉되는 작은 영역 사이에 끼인 나노스케일 물이 두 표면을 수직으로 당겨주는 힘에 의한 마찰력 증가 현상과 함께 나노스케일 물의 양이 증가함에 따라 보이지 않았던 슬립-스틱 현상이 발생할 수 있음을 확인했다. 이는 자체 제작한 ‘원자힘 현미경’이 활용됐다고 연구진은 밝혔다.
안상민 교수는 “나노스케일 물질에 관한 과학적, 산업적 관심이 급격히 커져가고 있는 시대에 살아가고 있다”며 “물질의 근원적 특성의 기본이 되는 마찰력에 관한 미시관점에서의 심도 깊은 이해는 현재의 과학과 기술의 한계를 한 단계 뛰어넘을 수 있는 동력이 될 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 전북대, 서울대 물리천문학부 제원호 교수 및 충북대 물리학과의 이만희 교수 등 수도권-지방 간의 긴밀한 협업으로 이뤄졌다. 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단 리더자연구자사업, 창의도전연구자사업 및 생애첫연구사업으로 수행됐다.
논문 링크 : https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-022-4348-9
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