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절삭 날을 21도 기울이면 강철과 노치의 소성 변형이 여러 곳에서 발생.
반면에 머리카락의 두께나 개수는 거의 영향을 미치지 않아.

면도 할 때 날이 무뎌지는 이유는 무엇일까?
연구자들은 단단한 칼날이 부드러운 모발에 굴복하는 역설적 효과를 밝혔다.

역설적 현상 :
면도날과 칼은 시간이 지남에 따라 무뎌진다. 강철 칼날이 머리카락이나 채소보다 훨씬 단단함에도 불구하고. 연구원들이 최근 그 이유를 밝혀냈다. 이에 따르면 절삭 날은 면도할 때 둥글게 마모되지 않고 미세한 균열과 흠집이 생긴다. "Science"에 보고된 것처럼 머리카락이 평평한 각도에서 스테인리스 스틸의 특정 미세 구조를 만날 때만 발생한다.

▲ 머리카락은 면도날의 스테인리스 스틸보다 훨씬 부드럽지만 시간이 지나면 무뎌진다. 왜?

면도날은 실제로 작업에 이상적으로 장착되어 있다.
절단 날은 스테인리스 스틸로 만들어졌으며 소위 ‘lath martensite’라고 불리는 층상 미세 구조로 인해 특히 단단하다. 그 위에는 더 단단한 탄소 코팅이 있으며, 이는 얇고 마찰을 억제하는 폴리머층으로 마무리된다. 최적의 선명도를 위해 커팅엣지는 40나노미터의 얇은 날을 향해 17도 각도로 가늘어진다.

더 열심히 닳아져

그러나 이 중 어느 것도 도움이 되지 않는다.
잠시 사용하면 면도날이 필연적으로 무뎌진다.
MIT (Massachusetts Institute of Technology)의 선임 저자 셈 타산(Cem Tasan)은 "강철과 같은 매우 단단한 것으로 사람의 머리카락처럼 부드러운 것을 자를 수 있다는 것이 정말 놀랍다“고 말한다. 강철은 머리카락보다 훨씬 더 단단하지만 스트레스를 견디지 ​​못한다.

왜?
타산과 주 저자 Gianluca Roscioli와 그의 팀은 이 문제를 처음으로 자세히 조사했다.
이를 위해 그들은 먼저 면도 후 면도날을 전자 현미경으로 분석하여 최첨단의 변화를 확인했다.

라운딩 대신 균열 및 흠집

놀라운 결과 : 예상과는 달리, 머리카락을 반복해서 절단해도 날카로운 부분이 둥글게 연마되지 않았다. 따라서 고전적인 뭉툭한 작업이 되지 않았다. 대신 얇은 강철 가장자리에 점점 더 많은 균열과 흠집이 나타났다. 연구진은 "이러한 미세 균열은 방향을 바꾸고 원호로 되돌아 가기 전에 처음에는 가장자리에 수직으로 퍼진다. 이것은 박리의 기하학을 생성한다."라고 보고했다.

이러한 흠집은 어떻게 발생할까?
분명히 그들은 매번 사용할 때가 아니라 최첨단의 특정 지점에서만 형성된다.
“우리는 이 자리가 떨어져 나가는 현상이 발생하는 조건과 철강 수율을 만드는 데 필요한 사항을 알고 싶었다.”라고 Tasan은 설명한다. 과학자들은 직경과 각도가 다른 머리카락을 전자 현미경으로 단단히 고정된 면도날에 가져와서 잘랐다.

각도와 위치 결정

칼날이 정확히 직각으로 머리카락을 자르면 손상되지 않은 것으로 나타났다.
"이 경우, 우리는 최첨단의 변형이나 자리 파손을 관찰하지 못했다."라고 과학자들은 보고한다.
그러나 실제 상황을 시뮬레이션하고 절삭 날을 21도 기울이면 강철과 노치의 소성 변형이 여러 곳에서 발생했다. 반면에 머리카락의 두께나 개수는 거의 영향을 미치지 않았다.

여기에서 또 다른 요인이 작용했다.
연구원들이 관찰 한 바와 같이 미세 균열은 주로 머리카락 가장자리가 절단 가장자리와 만나는 곳에서 발생했다. Roscioli와 그의 동료들은 "이렇게 하면 단일 머리카락이 최첨단에 두 개의 흠집을 만들 수 있다. 각각은 머리카락의 양쪽에서 시작한다"고 설명했다.
면밀한 분석에 따르면 모발의 단단한 외층이 강철 미세 구조의 부드러운 영역 중 하나를 만날 때 항상 발생한다.

세 가지 요인으로 둔화

분명한 것은 면도날을 무디게하기 위해서는 세 가지 요소가 합쳐져야 한다.
머리카락은 평평한 각도로 커팅 칼날과 만나야 하며, 커팅 날의 강철은 더 단단하고 부드러운 영역을 가진 이질적인 미세 구조를 가져야 한다.
그리고 마지막으로 머리카락의 딱딱한 껍질이 딱딱한 부분에 정확히 맞아야 한다.
그렇지 않으면 단단한 스테인리스 스틸조차도 미세한 균열과 흠집이 생길 수 있다.

연구진은 "이러한 조건은 몇 가지 경우에만 결합되기 때문에 상업용 면도날은 반복 사용 후에 만 ​​무디게 된다."라고 설명한다. 그들의 발견은 무딘 칼날의 비밀을 밝혀줄 뿐만 아니라 미래에 더 내구성 있는 칼날을 생산하는 데 도움이 될 수 있다.
그때까지는 일상 생활에 대한 조언이 남아 있다. “머리카락이나 감자를 수직으로 자를수록 칼날이 더 부드럽다.”
(Science, 2020; doi: 10.1126/science.aba9490)

출처 : Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스] "Green Soul, Beautiful Science" 

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