왜 테이프가 물건에 붙을 수 있나요? 실제로 국제 우주 정거장의 공기 누출을 막을 수 있다는 것이 좀 믿기지 않습니다. 사실 국제 우주 정거장에는 항상 소량의 공기 누출이 있었기 때문에 지속적으로 높은 수준의 공기를 보충해야 합니다. 산소와 질소가 혼합된 압력 실린더 이런 방식으로만 공기가 손실되어도 평화롭게 살 수 있으며, 공기 누출 문제를 실제로 해결하고 싶어하는 사람은 아무도 없습니다. 우주비행사들은 공기 누출률이 5배 증가한 후에야 누출을 막는 방법을 찾아야 했습니다.
누수를 막는 첫 번째 단계는 누수를 찾는 것인데, 누수를 찾는 과정에서 가장 공을 들인 것은 겉보기에 관련이 없어 보이는 티백이 스타에서 발견된 것이었습니다. 러시아 서비스 모듈이 열린 후 미세 중력의 영향으로 떠다닌 다음, 우주비행사들은 문을 닫고 카메라를 사용하여 찻잎이 벽에 숨겨진 흠집을 향해 천천히 떠다니는 것을 보았습니다. . 즉, 거기에서 공기가 새어 나온다는 의미입니다.
타겟을 찾았으니 이제 조치를 취해야 할 때입니다. 여러분은 이것이 우주에 있고 인류 최고의 지능을 갖춘 항공기라고 생각할 수도 있습니다. 임무를 달성하려면 진보된 수단을 사용해야 합니다. 그러나 실제로는 테이프 한 조각만 붙어 있었습니다. 테이프와 차는 극한 환경에서 가장 치명적인 문제를 해결했습니다. 이는 제 주변의 눈에 띄지 않는 작은 것들에 대한 새로운 이해를 제공했습니다.
동시에 왜 테이프를 사용하여 물건을 붙일 수 있는가?라는 질문도 있습니다.
혹시 이게 말도 안되는 소리가 아니라고 하시는 분들도 계시겠죠? 끈끈한 접착제 때문에 안쪽에 있는 끈끈한 접착제가 물건을 붙일 수 있는 이유는 무엇입니까?
실제로 이는 매우 가까이 있는 물체를 끌어당기는 힘을 반데르발스 힘이라고 합니다. 네덜란드 물리학자 반 데르 발스(Van der Waals)의 이름을 따서 명명된 이 힘은 분자간 힘입니다. 이것이 어떤 종류의 힘인지, 그리고 테이프는 이 힘을 어떻게 사용하는지 알려드리겠습니다.
우리 자신을 포함해 우리 주변의 모든 물질은 미시적 차원에서 원자와 분자로 구성되어 있다는 사실을 모두 알고 있다. 원자는 양전하를 띤 핵과 음전하를 띤 전자를 가지고 있습니다. 원자가 운반하는 전하는 정확히 동일하므로 상호성은 서로 상쇄되어 전하가 없는 전기적 중성을 나타냅니다. 분자는 화학 결합으로 결합된 원자로 구성됩니다.
소위 화학적 결합이란 손을 맞잡고 있는 원자 사이의 전자 교환에 의해 형성되는 결합력을 말한다. 분자를 안정적으로 유지할 수 있는 이유는 정전기적 균형에 여분의 양전기나 여분의 음전기가 없기 때문입니다. 그들은 쌍으로 정확히 일치하며 최종 표현은 전기적 중성입니다.
그러나 안정된 원자와 분자에서도 전자는 약간 이동하여 전하 분포를 변경할 수 있습니다. 이는 분자의 한 부분이 일시적으로 음전하를 띠고 다른 부분은 양전하를 띠는 것을 의미합니다. 결과적으로 수십억 개의 미세한 자석이 서로 끌어당기듯이 서로 다른 분자들이 서로 끌어당기게 되는데, 이 끌어당김을 반데르발스 힘이라고 합니다.
그러나 반 데르 발스 힘에는 두 가지 문제가 있습니다.
첫째, 두 재료가 서로 매우 가까울 때만 작동합니다.
두 번째는 분자 간의 상호작용이 약해서 결합력이 높지 않다는 점이다.
그러나 테이프는 두 가지를 모두 활용합니다. 테이프는 일반적으로 두 가지로 코팅된 베이스 레이어를 포함합니다. 하나는 탄성을 제공하는 고무 폴리머이거나 다른 유사한 재료입니다. 다른 하나는 점착부여제라고 불리는 점성을 부여하는 화합물입니다. 이 두 가지가 결합되어 특수한 점탄성 물질을 형성합니다.
테이프의 끈적임은 이 둘의 비율, 테이프를 붙이는 베이스 레이어의 두께, 베이스 레이어에 사용되는 소재에 따라 결정됩니다. 테이프가 표면에 달라붙으면 화학 반응이 일어나지 않습니다. 대신에 작동하는 것은 부드러운 점탄성 물질이 물체 표면의 매우 미세한 틈과 홈으로 흘러 들어가 그 자리를 채우는 물리적 과정입니다.
이와 동시에 자신의 분자와 물체 표면의 분자 사이의 거리는 반데르발스 힘을 생성할 만큼 가깝습니다. 반 데르 발스 힘의 힘으로 인해 테이프가 붙은 곳에서 자연스럽게 쉽게 풀리지 않습니다.
하지만 처음에 말했듯이 이 힘은 약한 상호작용력이므로 약간의 힘을 가하면 테이프가 찢어질 수 있으니 가역적 연결 방식이라는 뜻이다.
이 완전히 돌이킬 수 없는 '놈' 502는 어떻게 사물에 집착하는가?
실제로 분자 사이의 상호작용에도 의존하지만 이번에는 분자 사이에 상대적으로 특별한 정전기적 인력이 존재하는 강한 상호작용력인 '수소결합'으로 대체된다. 한 분자의 원자와 다른 분자의 산소 원자, 그리고 그 생산도 전자와 관련이 있습니다.
가장 단순한 물 분자를 예로 들면, 산소 원자는 탐욕스러운 전자 수집기로서 수소 원자와 공유해야 하는 전자를 자기 쪽으로 끌어당깁니다. 충전하고 자체에는 특정 음전하가 있습니다. 따라서 서로 다른 분자의 수소와 산소 원자는 서로 끌어당겨 소위 수소 결합을 형성합니다. 이 수소 결합의 응집력은 매우 강하므로 접착제를 만드는 데 매우 적합합니다.
이렇게 물 자체에도 수소결합이 포함되어 있어 접착제로 사용하기에도 매우 적합합니다. 네, 그렇기 때문에 두 개의 플라스틱 조각이 물에 젖었을 때 분리하는 것이 쉽지 않습니다. 물론 공기압의 역할을 무시할 수는 없지만 물은 증발하게 되고, 증발 후에는 점도가 사라지게 됩니다.
이런 끈적함을 어떻게 유지할 수 있을까요?
이를 위해서는 응고가 필요합니다. 예를 들어, 수소 결합을 포함하는 다른 분자(일반적으로 폴리머)는 물이나 다른 용매에 용해되고, 물과 다른 용매가 증발한 후에도 남아서 경화된 접착 재료입니다. 우리가 사무실에서 사용하는 접착제나 목공용 접착제, 심지어 과거에 사람들이 사용하던 반죽도 모두 이런 종류이다.
물론 증발이 아닌 화학반응으로 경화되는 글루도 있는데, 예를 들어 클래식 ab 글루, 502 등 특히 502는 건조되고 건조해진다는 점에서 매우 이상합니다. 수분을 증발시키지 않는 이유는 본래 수분을 함유하고 있지 않기 때문이지만, 접착물 표면의 수분과 화학적으로 반응해야만 경화될 수 있습니다.