고운 가루는 용기 벽에 들러붙거나 서로 뭉치기도 한다. 작은 입자들이 표면에서 서로 끌어당기는 힘이 입자 무게에 비해 커지기 때문이다. 그 원인 가운데 하나가 원자와 분자 사이의 반데르발스 힘이다. 개별 상호작용은 약해도 접촉하는 곳이 많으면 효과가 모여 재료의 거동을 바꾼다.[1]
1. 약한 힘이 모여 만드는 효과
반데르발스 힘은 원자·분자 사이에서 전하 분포와 쌍극자에 관련되어 나타나는 약한 인력이다. 쌍극자는 전하가 한쪽으로 조금 치우쳐 양전하 쪽과 음전하 쪽이 나뉜 상태다. 어떤 쌍극자는 순간적으로 생기고, 어떤 것은 영구적으로 존재한다. 따라서 이 힘을 비극성 분자에만 생기는 현상으로 한정하면 범위를 지나치게 좁히게 된다.[1]
공유 결합이나 이온 결합은 원자를 분자나 결정 안에 묶는 결합이지만, 반데르발스 힘은 원자·분자 사이에 작용하는 상호작용이다. ‘약하다’는 말이 영향도 항상 작다는 뜻은 아니다. 접촉하는 분자 수가 많거나 표면이 넓으면 작은 인력이 합쳐져 응집과 부착에 영향을 준다.[1][2]
2. 순간 쌍극자와 전하 분포
원자와 분자 안의 전하는 고정된 점처럼 머무르지 않는다. 전하 분포가 한순간 치우치면 순간 쌍극자가 생기고, 이웃한 입자의 전자 분포에도 영향을 줄 수 있다. 가까운 입자 사이에서 이런 전기적 변화가 상호작용하면 평균적으로 인력이 생긴다. 영구적인 극성이 없는 입자도 서로 끌어당길 수 있는 까닭이다.[1]
영구 쌍극자를 가진 분자 사이에서는 전하가 치우친 부분이 서로 마주 볼 때 인력이 생긴다. 또 극성 분자의 영향으로 주변의 다른 분자에 쌍극자가 유도될 수 있다. 실제 물질에서는 순간적인 전하 분포 변동과 영구 쌍극자 효과가 함께 나타날 수 있으므로 분자의 구조와 환경을 같이 살펴야 한다.[1]
3. 거리와 입자 크기에 따른 변화
반데르발스 인력은 입자 사이가 멀어지면 빠르게 약해진다. 표면들이 가까워지는 상황에서 영향이 커지는 이유다. 그러나 원자들이 무한히 가까워지는 것은 아니다. 전자 구름이 겹칠 만큼 가까워지면 반발 효과가 중요해져, 인력만으로는 입자 사이의 안정한 간격을 설명할 수 없다.[1]
분말 공학에서는 입자 모양을 단순화해 힘을 추정한다. 두 구형 입자에 대한 하마커 접근식에서는 힘이 재료의 하마커 상수와 유효 반경에 비례하고 표면 간격의 제곱에 반비례한다. 하마커 상수는 재료 사이 상호작용의 크기를 나타낸다. 이 식은 특정 형상과 근사 조건에서 유용한 모델이며 모든 표면에 그대로 적용되는 보편 공식은 아니다.[2]
4. 미세 입자와 표면 부착
입자 크기가 작아지면 무게보다 표면에서 작용하는 힘의 상대적 중요성이 커질 수 있다. 그래서 미세 분말은 서로 응집하거나 용기 벽과 필터에 붙을 수 있다. 산업 공정에서는 이런 성질이 혼합과 흐름, 분진 포집에 영향을 주므로 표면 상태나 수분을 조절해 응집을 줄이거나 활용한다. 응집의 원인을 반데르발스 힘 하나로만 설명할 수는 없다.[2]
표면에 물질이 달라붙는 흡착에서도 표면 사이의 가까운 접촉이 중요하다. 실제 부착에는 반데르발스 인력 외에도 정전기, 수분, 표면 거칠기와 접촉 형태가 함께 관여할 수 있다. 관찰된 접착만으로 하나의 미시적 힘을 유일한 원인이라고 단정해서는 안 된다.[2]
5. 작은 상호작용의 누적과 재료 성질
넓은 분자 표면이 맞닿거나 미세 입자가 모이면 개별 인력이 더해져 거시적 응집과 부착으로 나타날 수 있다. 고분자와 분말 재료의 성질을 살필 때 분자 하나의 힘만이 아니라 접촉의 수와 면적도 고려해야 한다. 이처럼 미시적인 분자 상호작용의 누적이 눈에 보이는 물질 성질로 이어진다.[1][2]
반데르발스 힘이 모든 고체의 형태를 유지하는 유일한 힘인 것은 아니다. 금속이나 이온성 결정, 공유 결합성 물질은 각기 다른 결합 구조가 핵심일 수 있다. 또한 층상 재료에서는 약한 층간 상호작용이 중요한 역할을 할 수 있다. 어떤 힘이 핵심인지는 물질의 구조와 설명하는 범위에 따라 판단해야 한다.[1]
7. 인용 및 각주
[1] 반데르발스 힘, 한국경제 용어사전, dic.hankyung.com(새 탭에서 열림)
[2] 반데르발스 힘, amixon, www.amixon.com(새 탭에서 열림)