얼음 위 액체막, 나노미터급 두께에 물과 다른 점성 강한 액체 형성 규명

겨울의 시작인 입동이 지나고 날씨가 쌀쌀해지기 시작하면서 스키, 스키보드, 스케이트를 좋아하는 겨울스포츠광들은 벌써부터 흥분하고 있다. 산꼭대기부터 멋지게 활강하는 모습이나 얼음 위를 신나게 지치고 지나가는 모습 등을 상상하면서 말이다.

눈과 얼음을 미끄러져 나갈 수 있는 것은 압력과 마찰력 때문이라는 사실은 잘 알려져 있다. 스케이트 날이나 스키 플레이트가 위에서 무게를 가하면 압력과 마찰열이 발생해 눈이나 얼음이 녹아 물로 바뀌면서 마찰력이 줄어든다는 것이다. 그런데 액체 상태의 물은 미끄럽게 만드는 윤활 성질이 약한 것으로 알려져 있는데 얼음이나 눈 위에 얇게 녹은 물의 막이 어떻게 마찰을 줄이고 겨울 스포츠를 즐길 수 해줄까.

프랑스 파리고등사범학교 물리학연구실, 파리과학인문대(PLS), 파리 디드로대(파리7대학), 소르본대, 에콜 폴리테크니크 공동연구팀은 마찰이 녹이는 얼음 위의 얇은 액체막의 두께와 성질을 측정하는데 성공하고 마찰과 압력으로 녹은 액체막은 예상보다 훨씬 얇고 일반적으로 볼 수 있는 물보다 점성이 높다는 사실을 발견했다고 8일 밝혔다. 이번 연구결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 X’ 4일자에 실렸다.

일반적으로 얼음이 ‘미끄러운’ 이유는 마찰에 의해 만들어진 얇은 액체층 때문인데 이 액체층의 두께나 특성에 대해서 잘 알려져 있지 않다. 심지어는 일부 과학자들은 얼음 위 생기는 액체막의 존재에 대해서도 여전히 의문을 표하고 있다.

연구팀은 원자 지름의 수 십분의 1까지 측정이 가능한 제3세대 현미경인 원자현미경의 일종인 원자힘 현미경(AFM)을 이용해 얼음 위에 생기는 액체막의 두께와 성질을 파악했다. AFM은 원자현미경 중에서 가장 널리 사용되는 것으로 진공 중에서도 사용이 가능하며 시료의 물리적, 전기적 성질을 알아낼 수 있다는 장점이 있다.분석 결과 마찰과 압력이 얼음 위에 만들어 내는 액체 상태의 물을 만들어 낼 뿐 만 아니라 얼음 위에 형성되는 액체막의 두께는 머리카락 굵기의 100분의 1에 해당하는 1미크론(㎛)에서 몇 백 나노미터(㎚)에 불과하다는 사실도 밝혀냈다. 이는 이론적으로 계산한 값보다 훨씬 얇아 연구진을 놀라게 만들었다. 또 AFM으로 관찰한 얼음 위 액체막은 단순한 ‘물’이 아니라 기름처럼 점성이 강하다는 것도 확인됐다. 흔히 생각하는 완전한 액체상태가 아닌 액체와 얼음 사이의 그 중간 정도의 성질을 나타내는 것으로 연구팀은 해석했다.

연구를 주도한 알레산드로 시리아 파리고등사범학교 박사(유체역학)는 “이번 연구는 그동안 명확하게 풀리지 않았던 얼음 위 마찰에 대한 이론적 설명을 제시했으며 지금까지 고려되지 않았던 얼음 위 액체 막의 성질을 제시했다는데 의미가 크다”라고 설명했다. 시리아 박사는 “이번 연구는 동계 스포츠 선수들의 경기력 향상 뿐만 아니라 빙판길에서 자동차의 미끄러짐 방지를 위한 수단을 연구하는데 도움을 줄 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr