모래성의 과학
Jennifer Vail | Sarah Cotts
August 14, 2023
여름의 푸른 하늘과 따스한 온도는 우리를 해변으로 부릅니다. 여름은 결국 태양, 서핑, 모래사장과 동의어가 되지요. 하루 종일 모래사장에 있으면서 모래성을 쌓지 않을 수가 있을까요? 비록 밀물이 모래성을 쌓는 모두의 적이 될 수 있지만, 바다는 최고의 아군이기도 합니다. 젖은 모래가 한데 뭉쳐 모래성의 마법을 부리기 때문이기 때문이죠. 바싹 말라서 가루같은 모래는 만졌을 때 기분이 좋을 수는 있지만 성을 쌓는 것과는 어울리지 않으며, 이는 대부분 응집력과 관련되어 있습니다. 수분을 함유한 모래와 건조한 모래를 간단히 테스트한 결과, 응집력이 10배가 차이났답니다!
결과적으로, 모래성은 분말 유변학 측정법의 훌륭한 예시가 됩니다. 모래성을 만드는 데 최적의 소재에 관한 스토리를 풀어내는 데 도움이 되는 다른 측정법에는 일축 항복강도와 유동 함수가 포함되어 있으며, 이들 모두 레오미터의 부속품 키트로 쉽게 측정할 수 있습니다. 그렇습니다. 오일, 슬러리, 젤과 같은 물질의 점도 및 전단 거동을 측정하는 데 사용하는 것과 동일한 레오미터입니다.
TA Instruments™의 Discovery™ HR용 분말 유변학 부속품을 이용하여, 마른 모래 대비 다양한 양의 물과 혼합한 모래를 테스트하여 적은 양의 수분이 얼마나 큰 영향이 있는지를 입증했습니다. 마른 모래는 응집력과 일축 항복강도가 낮지만, 아주 소량의 수분만 첨가하더라도 응집력이 0.05kPa에서 1kPa로 증가하면서 모래가 서로 달라붙는 능력이 실제로 향상되었습니다.
훌륭한 모래성을 만들 수 있는 소재의 또다른 주요 지표는 주응력을 일축 항복강도로 나눈 값인 유동 함수입니다. 유동 함수가 10을 초과하는 경우 물질은 자유롭게 흐르며, 모래성을 만들기에는 적합하지 않습니다. 마른 모래는 성을 만드는 것보다는 손가락 사이로 흘러내리도록 두는 것에 더 적합하죠! 하지만 물을 10% 함유한 모래의 유량 함수는 약 2로, 제자리를 유지하는 것에 더 적합합니다. 그렇다고 너무 많은 물을 첨가해서는 안 됩니다. 모래에 물 20%를 섞으면, 유동 함수는 10으로 훌쩍 증가하고, 성이 약간 흐트러지게 된답니다!
물론 해변으로 갈 때 레오미터를 의자나 쿨러와 함께 챙기자는 것은 아닙니다. 하지만 모래성을 만드는 건, 놀랍게도 비료 제조부터 의약품 정제에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 과학자들이 직면하는 배합의 어려움을 잘 보여주고 있습니다. 이 내용을 통해, 다음에 모래를 가지고 놀 때 멋진 작품을 좀 더 쉽게 만드는 데 약간의 수분이 큰 도움이 되리라는 사실과 그 이유를 알게 되셨답니다!