비즈니스 기회
정전기 충격 메카니즘 규명
카펫을 가로질러 친구를 정전기 충격으로 때리는 것은 이 책에서 가장 오래된 속임수일지 모르지만, 수천 년의 연구가 있었음에도 불구하고 그 장난은 여전히 과학자들을 신비롭게 합니다.
이제 프린스턴 대학의 연구진은 수백만 시간의 계산 시간을 사용하여 상세한 시뮬레이션을 실행함으로써 열과 일의 수학을 통해 정전기를 원자 단위로 설명하는 방법을 찾았습니다.
그들의 논문 "Thermodynamic driving forces in contact electrification between polymeric materials"는 Nature Communications에 실렸습니다.
이 연구는 특히 비닐 및 아크릴과 같은 절연 물질이라고 하는 전자의 자유로운 흐름을 허용하지 않는 물질 사이에서 전하가 어떻게 이동하는지 살펴보았습니다. 연구진은 정전기가 어디에나 있음에도 불구하고 건조기에서 꺼낸 옷의 딱딱거리는 소리와 터지는 소리, 상자에 달라붙는 포장된 땅콩 등 정전기 충격을 유발하는 메커니즘에 대한 확립된 견해는 없다고 말했습니다.
밀레투스의 탈레스가 처음으로 호박에 털을 문지르고 호박(그리스어: elektron)이 깃털과 먼지를 모으는 것을 본 이래로 26세기 전에는 손이 닿지 않는 곳이었습니다. 탈레스는 초자연적인 힘이 아닌 이성을 통해 자연을 설명한 최초의 사람들 중 한 명입니다. 그는 철학의 발전과 결국 과학의 발전에 중요한 역할을 했습니다. 이후 수천 년 동안 축적된 지식의 깊이와 폭에도 불구하고, 그 지식에서 탄생한 무수한 기술에도 불구하고, 과학은 그 모든 시간 동안 정전기의 충격 메카니즘을 알아내지 못했습니다.
프린스턴에서 Webb은 기체 챔버의 물질 흐름을 전문으로 하는 화학 반응 공학 분야의 선도적인 전문가인 동료 Sankaran Sundaresan과 이야기를 나누게 되었습니다. 휘발성 화학 물질로 가득 찬 이러한 환경에서 흩어진 스파크는 치명적일 수 있습니다. Sundaresan은 수십 년 동안 정전기를 연구해 왔으며, 신뢰할 수 있는 실험 데이터를 사용하여 이러한 시스템에서 전하가 어떻게 이동하는지 예측했지만 완전히 이해하지는 못했습니다.
그러나 Sundaresan에 따르면 어디를 보든 찾을 수 있는 한 가지는 미량의 물이 원인일 수 있습니다. 하전된 물 분자는 거의 모든 곳에서 지구상의 거의 모든 표면에 달라붙습니다. 극도로 건조한 조건에서도 강렬한 열 아래에서는 떠돌이 물 이온이 전하를 품고 있는 미세한 오아시스에 고입니다.
덧붙여서, 탈레스는 전기에 대한 그의 연구가 아니라 훨씬 더 큰 프로젝트로 가장 잘 알려져 있습니다. 그는 자연 전체가 물로 만들어졌으며 물은 본질적인 것이라고 제안했습니다. 그것은 모든 것에 대한 통일된 이론에 대한 최초의 시도였습니다. 아리스토텔레스는 이 모든 것을 기록했습니다.
Sundaresan와 Webb의 대화는 상호 깨달음으로 이어졌습니다. Sundaresan은 원자로의 데이터에 대한 수십 년의 통찰력을 가지고 있었고 Webb은 정교한 원자 규모의 계산 기술을 적용하여 열역학의 관점에서 이러한 물 이온을 볼 수 있었습니다.
물 이온이 표면에서 표면으로 볼트로 고정되는 데 얼마나 많은 에너지가 필요할까요? 어쩌면 그것이 순다레산의 블랙박스 안에서 무슨 일이 일어나고 있는지 설명해 줄 수 있을지도 모릅니다. Webb의 풀리지 않은 퍼즐이 풀렸습니다.
Webb과 대학원생 Hang Zhang은 하전된 물 분자와 그 분자가 표면 사이를 추진하는 데 사용할 수 있는 에너지의 양 사이의 관계를 모델링하여 두 절연 물질 사이에서 전하가 어떻게 이동하는지에 대한 매우 정확한 수학적 근사치를 보여주었습니다.
즉, 그들은 수학을 사용하여 약 80,000개의 원자 이동을 시뮬레이션했습니다. 이러한 시뮬레이션은 매우 높은 정밀도로 실제 관찰과 일치했습니다. 정전기 충격은 물, 더 구체적으로는 떠돌이 물 이온의 자유 에너지의 함수라는 것이 밝혀졌습니다.
이 프레임워크를 통해 Webb과 Zhang은 이러한 정전기 충격의 분자적 토대를 아주 세밀하게 밝혔습니다.
이상의 기사는 2024년 4월 10일 Phys.org에 게재된 “The science of static shock jolted into the 21st century”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : https://phys.org/news/2024-04-science-static-jolted-21st-century.html
* 추가정보 출처 : https://www.nature.com/articles/s41467-024-46932-2