전하를 띤 빗물, 금속을 부식시킬 수 있다
막스플랑크 고분자연구소 연구진이 네이처에 발표한 연구에 따르면, 물방울이 매끄러운 표면을 따라 흘러내리면서 전하를 띠게 되며, 이 전하가 테플론 코팅까지 뚫고 금속을 부식시킬 수 있다. 이는 보호 코팅이 있음에도 비가 금속을 부식시키는 이유를 설명하고, 물이 마찰이 거의 없어 보이는 표면에서 왜 느리게 흘러내리는지라는 오랜 물리학 의문에 대한 답을 제시한다. 인프라 부식은 조 단위의 비용 문제인 만큼, 부식 메커니즘 이해는 산업 전반에 중요한 의미를 갖는다.
지구의 날씨는 전기로 가득하다. 대기 중에서 얼음과 우박 입자들이 충돌하면서 대전되어 축적되다가, 결국 번개라는 거대한 전기 불꽃을 내뿜는다. 번개는 놓치기 어렵지만, 아주 작은 빗방울도 떨어지는 동안 전하를 띨 수 있으며, 이 전하만으로도 금속을 뚫을 수 있다.
오늘 네이처(Nature)에 발표된 연구에 따르면, 물방울이 매끄러운 표면을 따라 이동하면서 전하를 띠게 된다. 이는 비가 보호 코팅이 있는 금속도 부식시키는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있다. 또한 이 연구는 물리학과 전기화학 분야의 오랜 의문에 답을 준다고 독일 마인츠에 있는 막스플랑크 고분자연구소의 물리학자이자 연구 책임자인 한스-위르겐 부트(Hans-Jürgen Butt)는 말한다. 즉, 겉보기에 마찰이 없는데도 물이 매끄러운 표면을 따라 내려가는 데 왜 그렇게 오래 걸리는가 하는 질문이다.
부트와 그의 동료들은 물이 표면을 따라 미끄러지면서 표면과 물 사이에 어떤 숨겨진 화학적 현상이 일어날 가능성이 있다고 의심했다. 고체들이 서로 마찰하면 전하가 생성될 수 있지만, 물리학자들은 액체도 비슷하게 행동할 것이라고는 생각하지 않았다. 부트는 "액체의 경우 결합을 끊을 수 있는 힘이 없다"고 말한다.
연구에서 부트 팀은 물방울을 창문, 식물 잎 등 다양한 표면을 따라 흘러내리게 한 뒤, 얇은 테플론(Teflon) 코팅이 된 구리판에 떨어뜨렸다. 물방울은 테플론을 뚫고 구리 안으로 파고들어 구멍을 만들었다. 연구진은 다른 보호 코팅이 된 금속에서도 같은 효과를 확인했다. 반면 다른 표면을 거치지 않고 금속판에 직접 떨어진 물은 부식력이 없었다.
물방울이 코팅과 금속판에 접근할 때의 모양을 연구한 후, 연구진은 물과 구리판이 전기장을 만들어내며, 표면을 따라 이동하는 물이 양전하를, 금속이 음전하를 띠게 된다고 결론지었다. 물방울이 금속에 가까워질수록 전기장이 강해지고, 결국 전기장이 너무 강해져 금속이 파괴된다는 것이다.
전하를 띤 비가 인간에게 위험할 정도로 강한 전기를 띠는 것은 아니다. 부트는 사람들이 빗물을 모아 전기를 만들려고 했지만 대규모로는 성공하지 못했다고 말한다. 그럼에도 전하를 띤 물방울은 방청용 산업용 코팅제로 처리된 재료조차 코팅이 제대로 시공되지 않거나 손상된 경우 가끔 실패하는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있다.
이 연구에 참여하지 않은 조지아공과대학교의 부식 연구자인 프리트 싱(Preet Singh) materials scientist는 부식을 이해하는 데 도움이 되는 새로운 정보는 모두 흥미롭다고 말한다. 그는 우리 인프라의 붕괴는 조 달러짜리 문제이며, 부식을 더 잘 제어하면 장기적으로 비용과 인명을 구할 수 있다고 말한다. "제약이든 석유화학이든 심지어 인공 임플란트든 신뢰할 수 있는 제품을 원한다면, 부식에 대한 아주 좋은 통제력이 필요하다고 생각합니다."