날카롭고 단단한 면도날은 왜 수염을 면도하는 것만으로 무디어져 버리는 것인가?

면도기와 나이프의 칼날은 스테인리스 등의 단단한 재료로 만들어져 있으며, 때로는 다이아몬드라이크카본 등의 더 단단한 재료로 코팅되어 있습니다. 그런 면도기와 칼의 칼날이 금속보다 훨씬 부드러운 수염과 야채를 자르는 것만으로 무디어져 버리는 이유를 매사추세츠 공과대학의 연구팀이 밝혀냈습니다.

How hair deforms steel | Science
https://science.sciencemag.org/content/369/6504/689

How hair deforms steel

Why shaving dulls even the sharpest of razors
https://phys.org/news/2020-08-dulls-sharpest-razors .html

인간의 머리카락은 면도날보다 50배나 부드러운 소재이지만, 그럼에도 불구하고 면도날은 계속 사용하면 무뎌져 교체해야 합니다. 매사추세츠 공과대학에서 금속공학 부교수를 맡고 있는 C. Cem Tasan 씨는 "우리의 목표는 모두가 무심코 생각하고 있던 '왜 면도기와 칼의 칼날이 매우 부드러운 소재와 상호작용하는 것만으로 무디어져 버리는 것인가?'라는 문제를 이해하는 것이었다"고 말합니다.

Tasan 씨의 연구실은 손상에 대하여 우수한 내성을 가진 재료를 설계하기 위해 금속의 미세구조에 대해 연구하고 있다고 합니다. "우리는 야금학자이며, 더 나은 금속을 만들기 위해 금속을 변형시키는 것에 대하여 더욱 배우고 싶다고 생각합니다. 인간의 머리처럼 매우 부드러운 것을 절단했을 때 강철같은 딱딱한 소재가 손상되는 것은 매우 흥미로운 점이었습니다"라고 Tasan 씨는 말합니다.

그래서 Tasan 씨의 연구실에 소속된 대학원생의 Gianluca Roscioli 씨가 이끄는 연구팀은 메커니즘에 대한 실험을 실시하기로 했다고 합니다.

우선 Roscioli 씨는 일회용 면도기를 사용하여 자신의 수염을 깎아 그 후 면도날을 주사전자현미경으로 촬영하는 예비실험을 반복했습니다. 그 결과, 면도날은 마모되거나 날카로운 부분이 둥글게 되어버리는 것이 아니라, 날 부분의 결손이 발생하여 날이 무디어져 버리는 것으로 판명. 그래서 연구팀은 머리카락을 자르는 것만으로 특정 영역에 날 결손이 발생하는 메커니즘을 조사하는 실험을 실시했습니다.

Roscioli 씨는 더 통제된 상황에서 관찰을 하기 위해, 면도날로 수염과 머리카락을 면도하는 상황을 모방한 장치를 만들었다고 합니다. 이 장치는 이동식이며, 장치에 고정된 면도날과 머리카락 다발을 다양한 각도로 조정하고 그 모습을 주사전자현미경으로 촬영할 수 있게 했습니다. 머리카락 샘플은 Roscioli 씨 자신의 머리카락과 연구실의 멤버로부터 받은 머리카락을 사용하는 등 다양한 굵기의 머리카락을 실험에 사용했다고 합니다.

실제로 Roscioli 씨 연구팀이 촬영한 사진이 이것.

머리카락의 절단으로 날의 결손이 발생한 면도날

날의 결손은 절단된 머리카락 굵기와 관계없이 발생했고 머리카락과 면도날이 수직 위치에 고정된 채로 절단된 경우에는 날의 결손이 발생하지 않은 반면, 머리카락을 자유롭게 움직이는 칼날 각도로 절단하면 날의 결손이 발생하기 쉬운 것으로 판명되었습니다.

더 자세한 조건을 알아보기 위해 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했고, 어떤 조건에서 머리카락의 절단으로 면도기 칼날이 결손되기 쉬운지를 분석. 그 결과, '칼날과 머리카락이 비스듬히 위치했을 때', '칼날을 구성하는 강철의 미세구조가 불균일한 경우', '이미 날에 존재하는 미세한 결손과 머리카락이 접촉한 경우'에 날의 결손이 발생하기 쉬운 것으로 나타났다고 합니다. 즉, 면도기와 칼날의 미세구조를 보다 균일하게 가공하고, 최대한 절단대상과 칼날이 수직이 되도록 위치시키는 것이 날의 결손을 최소화하고 오랜기간 사용하는 것이 가능합니다.

Tasan 씨는 "우리의 시뮬레이션은 재료의 불균일성이 재료에 대한 응력을 증가시켜 머리카락과 같은 부드러운 재료에 의한 응력에도 균열이 성장하는 메커니즘을 설명합니다"라고 말합니다. 이미 연구팀은 강철을 보다 균일한 형상으로 가공하여 더 오랫동안 날을 유지하는 기술을 잠정특허 신청했다고 합니다.