독일 카를스루에 공과대학(Karlsruhe Institute of Technology)의 연구진은 마모가 발생하는 정확한 원인을 밝혀내는데 성공했다.

마모는 경제적 효율 또는 건강에 중요한 영향을 끼친다. 모든 작동 부품들(풍력 발전소의 베어링 또는 인공 고관절)은 이런 마모에 영향을 받는다. 이런 마모의 정확한 원인은 그동안 불분명했다. 이번 연구에서는 첫 접촉에서 마모가 발생하고 항상 물질의 동일한 지점에서 발생한다는 것을 증명했다. 이 연구결과는 최적화된 재료를 개발하거나 에너지 및 원자재 소모를 줄이는데 도움을 줄 수 있을 것이다.

마찰은 물체가 서로 부착되어서 미끄러질 때 발생한다. 마찰력으로 인해서 마모가 발생하면 엄청난 비용이 든다. 운송 부분에서 소비되는 에너지의 약 30%가 마찰을 극복하는데 사용된다. 독일에서는 마찰과 마모로 인해서 국내 총생산의 약 1.2%~1.7%(42.5~555억 유로, 2017년 기준)의 비용이 발생한다. 마찰과 마모의 가장 쉬운 예로 손을 문질렀을 때 손이 따뜻하게 되는 것을 들 수 있다. 마찰로 인한 재료의 반응은 매우 복잡하다.

이번 실험에서는 사파이어 볼로 마찰을 시켰을 때 150~200 nm 깊이의 날카로운 선이 항상 발견되었다. 이것은 처음 접촉할 때 형성되었고, 원래의 상태로 되돌릴 수 없었다. 구리, 다양한 황동 합금, 니켈, 철, 텅스텐과 같은 다양한 재료로 시험했을 때도 항상 동일한 결과를 얻었다. 이러한 결과는 완전히 새로운 것이었다.

물질 속의 결함을 전위(dislocation)라고 부른다. 전위는 돌이킬 수 없는 변형을 불러온다. 전위는 원자가 이동할 때 발생한다. 그 결과, 뱀의 움직임과 유사한 원자파가 물질 속으로 전달된다. 이러한 전위는 마찰 중에 자기 조직화되는 방식으로 선 모양의 구조를 형성한다. 이번 연구진은 재료의 기계적 응력 분포와 효과를 비교했다. 계산에 따르면, 100~200 nm 깊이에서 특정 전위 유형이 자기 조립된다는 것을 확인했다.

앞서 언급된 효과 이외에도, 표면의 산화에 대한 마찰의 영향을 조사하기 위해서 구리 샘플을 사용했다. 몇 번의 마찰 사이클 후에, 구리 산화물이 표면에 형성되었다. 시간이 지남에 따라서 구리 산화물은 반원형 나노결정성 산화구리 클러스터로 성장했다. 구리 산화물 나노결정은 비정질 구조로 둘러싸여 있었다.

마찰로 인해서 산화가 어떻게 일어나는지를 이해하는 것은 매우 중요하다. 구리는 자주 사용되고, 이것들은 작동 부품의 중요한 재료이다. 많은 베어링은 청동 또는 황동과 같은 구리 합금으로 구성된다. 따라서 이번 연구결과는 구리 가공 산업에 큰 도움을 줄 것이다.

이 연구결과는 저널 Scripta Materialia에 “The origin of surface microstructure evolution in sliding friction”과 “Stages in the tribologically-induced oxidation of high-purity copper” 라는 제목으로 게재되었다.