미국 재료과학 연구진이 균열되고 갈라진 금속 고유의 나노 단위 미세 구조가 열을 가하지 않아도 진동만으로 복구되는 현상을 처음 확인했다. 진공 상태에서 원자 입자 단위 구조에서 반복적인 응력이 금속 결정의 경계를 움직이며 균열이 붙는 냉간 용접이 발생했다.
금속 피로 자체 복원하는 백금
미국 연구진이 실험을 하다가 우연히 금속이 스스로 나노 단위의 균열을 복구하는 능력을 발견했다. 과학자들이 유사한 특성을 플라스틱에서 발견한 적이 있으나 금속의 경우는 처음이다. 금속에 대한 학계의 고정관념을 깬 사건이다.
2013년에 이미 텍사스 A&M대학교의 Michael Demkowicz 재료과학 교수가 백금의 자체 복원력을 이론적으로 밝힌바 있었다. 십년이 지난 이번에 피로 균열 복원을 실험실에서 목격하게 되었다.
미국 샌디아 국립연구소(SNL)와 텍사스 A&M 대학교의 공동연구팀은 손상된 금속 고유의 구조가 열을 가하지 않아도 진동만으로 복구되는 현상을 실험하다가 발견했다. 연구 결과는 2023년 7월 19일 국제학술지 ‘네이처Nature’에 게재됐다.
금속이 쓰이는 차량, 건물과 다리 등을 제작하는 공학 분야에서는 미세한 균열 복구가 관건이다. 금속 구조물 고장의 대략 90%는 미세 균열에서 비롯된다. 금속에 연성이 있어서 늘어나기도 하고 서로 붙기도 하는 현상은 수천년 전부터 알려져 있다. 문제는 균열과 균열 복구다.
금속으로 이뤄진 구조물은 반복해서 가해지는 힘에 의해 미세한 균열이 생기고 진동이 발생할 때마다 균열이 더 커지면서 틈이 벌어진다. 이를 금속 피로 라고 한다.
연구팀은 진공 상태에서 백금의 금속 피로를 평가하는 실험을 했다. 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 백금 조각을 초당 200회 당기는 실험을 하던 중 우연히 균열이 회복되는 현상을 목격했다.
연구원들은 애초에 균열이 더 커질 것으로 예상했는데 전혀 다른 현상을 발견한 것이다. 균열 성장을 설명하는 기본 방정식에서도 금속이 다시 붙을 가능성은 전혀 없었다. 그러나 놀랍게도 40분 정도 지나자 금속의 갈라진 틈 한쪽 끝이 서로 융합되며 다시 붙기 시작했다.
연구원들은 원자 입자 구조 단위에서 반복적으로 실험을 했다. 그 결과 외부에서 힘이 가해질 때 국소적 응력이 금속 결정의 경계를 움직이며 균열이 융합하는 냉간 용접이 발생한 것이라고 한다.
이번 연구는 금속 피로를 평가하고 금속 피로를 예방하는 설계 방식에 변화를 가져올 수 있어서 기대가 모아진다. 진공 상태에서 진행된 실험이어서 공기 중의 금속에서도 같은 현상이 유도될 지는 알아봐야 한다. (참조 sandia.org, natureworldnews.com)
미국 재료과학 연구진이 균열되고 갈라진 금속 고유의 나노 단위 미세 구조가 열을 가하지 않아도 진동만으로 복구되는 현상을 처음 확인했다. 진공 상태에서 원자 입자 단위 구조에서 반복적인 응력이 금속 결정의 경계를 움직이며 균열이 붙는 냉간 용접이 발생했다.
