금속에서 스스로 나노 단위의 균열을 복구하는 능력이 발견됐다. 과거 유사한 특성을 가진 플라스틱을 발견한 적은 있었지만, 금속은 처음이다.
브래드 보이스 미국 샌디아국립연구소 재료과학 연구원 등 공동연구팀은 손상된 금속 고유의 미세 구조가 가열 없이 진동만으로 복구되는 현상을 실험으로 확인했다고 7월 19일 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다. doi: 10.1038/s41586-023-06223-0
차량과 건물, 다리 등을 제작하는 공학 분야에서는 작은 균열을 어떻게 복구할 수 있는지가 중요한 문제다. 금속 구조물 고장의 약 90%는 작은 균열에서 시작되기 때문이다. 금속으로 이뤄진 구조물은 힘을 반복해 가하면 미세한 균열이 생기고, 진동이 발생할 때마다 균열을 중심으로 점차 틈이 벌어진다. 이를 ‘금속 피로’라고 한다.
연구팀의 진공 상태에서 나노미터(nm･1nm는 10억 분의 1m) 크기의 백금 조각을 초당 200회 당기며 균열이 어떻게 형성되고 퍼지는지 금속 피로를 평가하는 실험을 하던 중 균열이 붙는 현상을 우연히 발견했다.
보이스 연구원은 보도자료를 통해 “금속의 균열이 더 커질 것으로 예상했다”며 “균열 성장을 설명하는 일부 기본 방정식에서도 금속이 다시 붙을 가능성은 전혀 없었다”고 설명했다.
그런데 40분 정도 흐르자 실험 결과가 정반대로 나오기 시작했다. 금속의 갈라진 틈 한쪽 끝이 서로 융합되며 다시 붙기 시작한 것이다.
연구팀은 논문에서 “원자 입자 구조 단위에서 반복적인 실험을 한 결과, 외부에서 힘이 가해질 때 국소적 응력이 금속 결정의 경계를 움직이며 균열이 붙는 ‘냉간 용접’이 발생한 것”이라고 설명했다.
이번 연구는 금속 피로를 평가하고, 금속 피로를 예방하는 설계 방식에 변화를 가져올 것으로 기대된다. 보이스 연구원은 “진공 상태에서 진행된 실험인 만큼, 공기 중의 금속에서도 같은 현상이 유도될 수 있는지는 알아봐야 한다”고 조심스러운 입장을 밝혔다.
