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알루미늄 성질에 따른 얼음 움직임 차이

▲ACS Applied Materials & Interfaces

친수성 알루미늄에서 얼음은 빠르게 녹으며 헤링본 모양의 홈을 채웠고, 홈을 따라 물이 흐르면서 얼음이 한쪽 방향으로 움직였다.
초발수 알루미늄에선 초반 얼음이 홈의 능선 부분에 부분적으로 달라붙어 움직이지 못하다가 녹은 물 안에서 발생한 표면장력 차이로 순간 얼음이 튀어나가듯 빠르게 이동했다. 

미국 캘리포니아 동부, 모하비 사막의 데스 밸리엔 수상한 자국이 있다. 수십 kg의 바위가 스스로 움직여 바닥에 남긴 자국, ‘세일링 스톤(Sailing Stone)’이다. 세일링 스톤은 단단한 사막 바닥에 비가 내린 뒤, 밤 기온이 영하로 떨어지며 만들어진 얇은 얼음판에서 돌이 미끄러질 때 생긴다. 조나단 보레이코 미국 버지니아공대 기계공학부 교수팀은 세일링 스톤에 영감을 받아 얼음을 스스로 움직이도록 하는 법을 찾았다. 

스스로 움직이는 얼음의 핵심은 ‘헤링본’ 구조다. 헤링본은 V자 형태의 무늬로 바닥재나 직물에서 주로 볼 수 있다. 연구팀은 표면에 물이 들러붙는 친수성 알루미늄(HPL) 판에 일정한 각도로 헤링본 모양의 홈을 팠다. 얼음이 녹으면서 물이 생기고, 헤링본 무늬의 홈 안으로 그 물이 스며든다. 비대칭 구조인 홈 때문에 물은 같은 방향으로만 흐르고, 같은 방향으로 얼음이 움직였다. 논문의 제1 저자인 잭 타포식 연구원은 “강에서 튜브를 저으면 앞으로 나아가는 것처럼, 방향성 있는 물의 흐름이 얼음의 움직임을 만들었다”고 설명했다. 반면 홈이 없는 알루미늄판에서는 물이 무작위로 이동했다. 홈의 각도, 깊이, 너비의 차이는 얼음의 이동 속도와 이동 시작 시점에 영향을 미쳤다.

알루미늄 표면의 성질에 따라 얼음의 움직임이 달라지기도 했다. 코팅된 표면에 물방울이 굴러떨어지는 초발수 알루미늄(SHPB)에서는 초반 얼음 일부가 헤링본 홈의 돌출부에 달라붙었다. 그런데 약 10초가 지난 뒤 녹은 물이 비대칭적으로 고여 라플라스 압력을 만들었다. 라플라스 압력은 표면장력 때문에 곡면 안팎에서 생기는 압력 차이다. 이로 인해 얼음이 튕겨 나가듯 빠르게 움직이는 모습을 보였다.

연구팀은 논문을 통해 “외부 힘없이도 상변화 물질을 움직일 수 있다는 점에서 이번 연구가 에너지 절약형 기술로 확장할 수 있다”고 설명했다. 논문은 8월 14일 국제학술지 ACS 응용 재료&인터페이시스(ACS Applied Materials& interfaces)에 게재됐다. doi: 10.1021/acsami.5c08993 

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