나노기술 및 정책 정보

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노르웨이 과학기술대학교(The Norwegian University of Science and Technology) 연구팀이 그래핀과 같은 층상 물질에 대해 나노 스케일에서 마찰이 작동하는 방식을 설명하는 능력을 향상시키기 위해 과거 단순한 모델에 대한 조정을 제안함. 연구원들이 무엇을 했는지 이해하기 전에 먼저 연구원들이 마찰을 시각화하는 방법을 이해해야함. 표면은 매끄럽게 보일 수 있지만 강력한 현미경에서는 표면에 분명히 융기가 있음. 따라서 연구자들은 마찰을 설명하기 위해 수학적 모델을 사용하고자 할 때 계산에 이 울퉁불퉁 한 표면을 포함시켜야 함.

마찰에 대해 전혀 신경 쓰지 않아도 손을 함께 문지르면 따뜻해질 수 있음. 그러나 마찰은 현실 세계에서 큰 문제임. 서로 마찰하는 부품에서는 마모가 일어나고, 기계는 필요한 것보다 더 많은 에너지를 사용해야 함. 세계 에너지 소비의 약 23 %는 마찰로 인한 것임. 연구자들은 나노 크기에서 마찰이 실제로 어떻게 작용하는지 알아낼 수 있는 방법을 찾아서 윤활유 및 다른 방법으로 마찰을 줄일 수 있는 방법을 찾고 있음. 문제는 모델을 사용하여 마찰을 설명하기가 매우 어렵다는 것임. 나노 스케일에서 마찰에 가장 널리 사용되는 수학적 모델 중 하나는 1929 년에 처음 제안되었으며, 매우 일반적이기 때문에 계속 사용되고 있음. 그러나 해당 모델을 사용하여 보다 자세한 상황을 살펴보면 제대로 작동하지 않음. 마찰을 말할 때 사람들은 표면을 가로 질러 상자를 밀고자한다고 생각함. 하지만 마찰이 어디에서 오는지 따져보면 실제로 원자 사이의 접촉에서 비롯됨. 그런 다음 마찰은 이 울퉁불퉁 한 원자 표면을 가로 질러 팁을 당기는 데 필요한 힘으로 설명됨. 이것이 1929 년에 처음 출판 된 마찰에 대한 Prandtl-Tomlinson 모델이 설명하는 방식임. 그리고 모델이 설명하는 주요 기능 중 하나는 이 팁이 울퉁불퉁 한 표면을 가로 질러 당겨질 때 발생하는 마찰력 임. 사실, 두 표면 사이의 이런 종류의 스틱 앤 슬립 동작은 거시적 규모에서도 볼 수 있음. 이는 두 개의 지각판이 서로를 지나갈 때 지질학적 규모로 발생합니다. 지진이 활발한 지역의 사람들은 지진으로 판이 미끄러지는 것을 경험함.

그들은 세기 이전의 Prandtl-Tomlinson 마찰 모델에 추가 변수를 추가함으로써 모순된 결과를 설명할 수 있음을 깨달았음. 기존 모델은 표면을 가로 질러 점을 이동하는 데 걸리는 힘을 살펴보았지만, 연구팀은 층이 있는 물질이 변형 될 수 있는 변수를 추가했을 때 이전 모델보다 나노 스케일에서 마찰을 예측하는 데 훨씬 개선됨을 확인함.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Understanding the friction of atomically thin layered materials") 지에 게재됨