비 오는 날, 비방울이 차창에 떨어지면 동그란 물방울들이 모여 유리창을 따라 미끄러져 내려간다. 겉보기에는 깨끗하고 무해해보이지만, 사실 이 비방울들은 유리를 스쳐 지나가며 몰래 전기를 충전하고 있다.

독일 막스 플랑크 고분자 연구소(Max Planck Institute for Polymer Research)의 과학자들은 지금까지 완전히 간과되여온 흥미로운 현상을 발견했다. 비방울이 나무잎, 플라스틱 판, 유리창 표면 등에 굴러떨어지면 아주 약한 양전하를 띠게 된다는 것이다. 그리고 이 전하를 띤 물방울이 자동차 도장면, 선박 선체, 또는 건물의 금속 구조물에 부딪히면 소형 전기 불꽃 발생기처럼 '파직' 소리를 내며 표면의 보호 도막을 뚫는다. 그후 아래의 금속이 드러나게 되며 이로 인해 부식이 시작된다.

듣기에는 다소 의아할 수 있지만 물방울이 전기를 띠는 원리는 겨울에 털옷으로 풍선을 문지를 때와 비슷하다. 서로 다른 두 재료가 접촉했다가 떨어지면 전자가 이동하며 한쪽은 양전하를, 다른 한쪽은 음전하를 띠게 된다. 물방울이 발수성 표면을 미끄러질 때도 물과 고체 사이에서 비슷한 전하 교환이 일어난다. 물방울이 미끄러지면서 전하의 일부를 그 자리에 남기고 자신은 반대 전하를 띤 채 굴러가는데 이 과정을 '마찰 전기(滑动起电)'라고 한다. 이 현상은 새로운 것이 아니지만 지금까지 금속 부식과 련결한 적은 없다.

이 가설을 검증하기 위해 과학자들은 매우 정교한 실험 장치를 마련했다. 주사기를 리용해 크기가 균일한 물방울들을 만들어 먼저 청엽만년청(紫背万年青, 일종 식물) 잎과 플루오로카본(氟化碳) 재료 우를 일정 거리 미끄러지게 한 뒤 테플론(特氟龙) 보호막을 바른 동 판(铜片) 우에 떨어뜨렸다. 그 결과 3,000개의 물방울이 떨어진 후 원래 매끄럽고 온전했던 테플론 막에는 빽빽한 작은 구멍들이 생겼고 어떤 구멍들은 도막을 완전히 뚫고 아래까지 손상시켰다. 반면 대조군 실험에서는 물방울이 공중에서 바로 락하하고 동일한 3,000회 충격을 가했지만 도막은 전혀 손상되지 않았다.

고속 카메라는 결정적인 순간을 포착했다. 전하를 띤 물방울이 금속 표면에 가까워지면 그 바닥 부분이 전기장에 의해 잡아당겨져 뾰족한 원뿔 모양으로 변한다. 마치 아주 작은 바늘처럼 말이다. 이 형태는 '테일러 콘(泰勒锥)'이라고 불리며 액체가 강한 전기장 하에서만 나타나는 형태이다. 이어 원뿔 끝부분에서 방전이 일어나며 순간적인 고온과 고압이 유기 도막의 분자 구조를 파괴하기에 충분했다. 전하를 띠지 않은 물방울의 바닥은 항상 둥글었고 아무런 이상도 보이지 않았다.

즉 실제로 공격을 가하는 주체는 물의 충격력도 물에 녹아 있는 산성 성분도 아닌 바로 그 보잘것없어 보이는 정전기였던 것이다.

이 발견의 의미는 단순한 흥미로운 현상 설명을 훨씬 넘어선다. 전 세계적으로 금속 부식으로 인한 년간 경제적 손실은 무려 2조 5천억 딸라에 달하며 이는 몇몇 작은 국가들의 년간 GDP 합계와 맞먹는 규모이다. 대교에서 마천루까지 원양 화물선에서 에어컨 실외기에 이르기까지 야외에 로출된 모든 금속 구조물은 방부 도막의 보호를 필수로 받는다. 엔지니어들은 그동안 산성비, 염무(盐雾), 자외선 및 온도 변화와 싸워왔지만 평범한 비방울 한 방울이 유리창 우를 굴러다니는 것만으로도 보이지 않는 망치가 되여 도막의 방어선을 하나씩 깨뜨릴 수 있다는 사실은 전혀 예상하지 못했다 .

물론 실험에서 사용된 도막은 극도로 얇은 60나노메터 두께로 머리카락 굵기의 천 분의 일에 불과하다. 실제 산업용 도막은 훨씬 두껍기 때문에 단 몇차례 비로 쉽게 뚫리지는 않을 것이다. 하지만 이러한 작용 원리가 존재한다는 사실 자체만으로도 경각심을 불러일으키기 충분하다. 우리가 일상생활에서 떼여놓을 수 없는 자동차와 건물은 비가 올 때마다 지금까지 전혀 인지하지 못했던 조용하지만 치명적인 공격을 받고 있었던 것이다. 

향후 더 우수한 보호 재료를 설계하려면 단순히 방수·방습만 고려하는 것을 넘어, 물방울이 '전기를 다 방출하고' 지나가도록 하거나 도막 내부에 미세 방전을 견딜 수 있는 성분을 추가하는 방안도 모색해야 할 것이다.

/과학기술넷

编辑：최화