금속은 가열될수록 부드러워지는 특성을 가지고 있으며, 이는 대장장이가 쇠를 붉게 가열하여 복잡한 모양으로 형성할 수 있는 이유다. 또한, 구리선은 철 옷걸이보다 훨씬 더 유연하다.
그러나 MIT 과학자들은 금속이 초고속으로 이동하는 물체에 충돌할 때는 반대의 현상이 발생한다는 것을 발견했다. 즉, 금속이 가열될수록 강해진다는 것이다. 이러한 조건에서 극한의 스트레스를 받는 금속은 구리가 실제로 강철만큼 강해질 수 있다.
이 새로운 발견은 우주선 방패, 초음속 항공기, 고속 제조 공정 장비와 같은 극한 환경에서 사용할 수 있는 소재 설계에 새로운 접근 방식을 제공할 수 있다.
이 연구 결과는 MIT 대학원생 이안 다우딩과 전 MIT 재료과학공학과장이자 현재 노스웨스턴 대학교 공과대학 학장이며 MIT 방문 교수인 크리스토퍼 슈가 작성한 논문에서 설명되었다. 이 논문은 학술지 '네이처'에 게재되었다.
저자들은 이번 발견이 "직관에 반하며, 덜 극단적인 조건에서 수십 년간 연구된 결과와는 상반된다"고 언급했다. 이 예상치 못한 결과는 다양한 응용 분야에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 극한 속도는 궤도상의 우주선에 대한 운석 충돌, 제조에서 사용되는 고속 가공 작업, 모래 분사 및 일부 적층 제조(3D 프린팅) 공정에서 일상적으로 발생하기 때문이다.
연구진이 이 효과를 발견하기 위해 사용한 실험은 백만 분의 몇 미터 크기의 사파이어 미립자를 금속 평판에 발사하는 것이었다. 레이저 빔에 의해 추진된 입자들은 초속 몇백 미터에 달하는 고속에 도달했다.
다른 연구자들도 가끔 비슷한 속도에서 실험을 수행했지만, 주로 센티미터 또는 그 이상의 크기의 충격체를 사용했다. 이러한 큰 충격은 충격의 효과가 지배적이어서 기계적 및 열적 효과를 분리할 방법이 없었다.
새로운 연구에서 사용된 미세 입자는 타겟에 충돌할 때 큰 압력파를 생성하지 않는다. 그러나 MIT에서는 이러한 미세 입자를 고속으로 추진하는 방법을 개발하는 데 10년의 연구가 걸렸다. 슈는 "우리는 이를 활용했다"고 말하며, 고속 충격을 관찰하기 위한 다른 새로운 기술도 사용했다고 덧붙였다.
연구진은 초고속 카메라를 사용하여 "입자가 다가오고 떠나는 과정을 관찰했다"고 말했다. 입자가 표면에서 튕겨 나올 때 입사 속도와 출사 속도의 차이가 "얼마나 많은 에너지가 타겟에 전달되었는지를 알려주며, 이는 표면 강도의 지표가 된다"고 설명했다.
사용된 미세 입자는 알루미나 또는 사파이어로 만들어졌으며, "매우 단단하다"고 다우딩은 설명했다. 이 입자들은 10에서 20마이크론(백만 분의 몇 미터) 크기로, 이는 인간의 머리카락 두께의 10분의 1에서 5분의 1에 해당한다. 이 입자 뒤의 발사대가 레이저 빔에 의해 타격을 받으면, 재료의 일부가 기화되어 입자를 반대 방향으로 추진하는 증기 제트를 생성한다.
연구진은 입자를 구리, 티타늄, 금 샘플에 발사했으며, 이러한 결과가 다른 금속에도 적용될 수 있다고 기대하고 있다. 연구진은 이 데이터가 더 큰 열에서 강도가 증가하는 이 비정상적인 열 효과에 대한 최초의 직접적인 실험 증거를 제공한다고 말한다. 이전에 이러한 효과의 힌트가 보고된 적은 있었다.
연구진의 분석에 따르면 이 놀라운 효과는 금속의 결정 구조를 구성하는 원자의 규칙적인 배열이 다른 조건에서 어떻게 움직이는지와 관련이 있다.
그들은 금속이 스트레스를 받을 때 변형되는 방식에 영향을 미치는 세 가지 별개의 효과가 있으며, 이 중 두 가지는 높은 온도에서 변형이 증가하는 예측 경로를 따르지만, 드래그 강화라고 불리는 세 번째 효과는 변형 속도가 일정 임계값을 넘으면 그 효과가 반대가 된다고 설명한다.
이 임계점을 넘어가면 높은 온도는 재료 내에서 음파 또는 열의 파동인 포논의 활동을 증가시키며, 이러한 포논이 결정 격자의 결함과 상호 작용하여 미끄러지고 변형되는 능력을 제한하게 된다. 이 효과는 충격 속도와 온도가 증가할수록 증가하며, 다우딩은 "속도가 빨라질수록 결함이 반응할 수 있는 능력이 감소한다"고 말했다.
물론 온도가 너무 높아지면 금속이 녹기 시작하고, 그 시점에서 효과는 다시 반대로 돌아가 연화되기 시작할 것이다. 다우딩은 "이 강화 효과에는 한계가 있을 것"이라고 말하며, "하지만 그 한계가 어디인지는 아직 모른다"고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 극한 스트레스를 받을 수 있는 장치를 설계할 때 소재 선택에 변화를 가져올 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 훨씬 약하지만 저렴하거나 처리하기 쉬운 금속이 이제까지는 사용되지 않았을 상황에서 유용할 수 있다.
연구진이 연구한 극한 조건은 우주선이나 극한 제조 방법에만 국한되지 않는다. 다우딩은 "모래폭풍 속에서 헬리콥터를 비행한다면 많은 모래 입자가 블레이드에 충돌할 때 높은 속도에 도달할 것"이라고 설명하며, 사막 조건에서는 이러한 경화 효과가 나타날 수 있는 높은 온도에 이를 수 있다고 덧붙였다.
연구진이 이번 현상을 발견하기 위해 사용한 기술은 다른 재료와 상황에도 적용될 수 있다. 그들은 극한 조건에서 사용할 소재를 설계할 때 덜 극단적인 조건에서 알려진 특성을 단순히 추정하여 적용하면 소재가 극한 스트레스 하에서 어떻게 작동할지에 대한 심각한 오해를 불러올 수 있다고 경고한다.
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