09. 도마뱀은 어떻게 발을 붙일까?

<네모 속의 물리학>

반데르발스 힘과 또 다른 힘들

놀랍게도 강한 인력이나 척력(repulsive forces)은 분자 내 전하가 불균등하게 분포한 결과다.

지금까지 우리는 강한 화학결합을 다루었다. 하지만 원자들과 분자들을 더 약하게 결합시키는 다른 종류의 결합들도 있다. 전체적으로 분자 간 결합(intermolecular bonds)이라고 알려진 이것은 대부분 정전기적 결합이다.

반데르발스 힘(Van der Waals forces)은 가장 광범위하게 볼 수 있는 정전기적 결합의 사례다. 그 힘은 보통 하나의 공유결합에 있는 전자들의 운동에 대한 제약으로 발생하는데, 음전하가 고르게 분포되지 않은 분자를 만들어낸다. 전자들이 한쪽으로 몰리면 다른쪽은 아주 약한 순(純)양전하를 띠게 된다. 이를 전기쌍극자(electric dipole)라 부르는데, 한 분자의 전하를 띤 부분과 다른 분자의 반대 전하를 띤 부분이, 또는 강한 전하를 띤 이온들이 마주쳐 서로 끌릴 수 있다. 자연에서 반데르발스 힘은 도마뱀붙이(gecko)가 벽을 기어 다니거나 천장에 매달려 있을 수 있게 한다.

더 강한 종류의 분자 간 결합은 분자들 안의 양전하를 띤 수소 원자핵들이 다른 분자들의 음전하를 띤 원자핵들에 결합될 때 발생한다. 이 수소결합은 많은 화합물에서 볼 수 있지만, 수소가 주위에 있는 전기적으로 음성인 산소 원자들과 결합되는 물에서 특히 강하다.

수소결합은 영향력이 매우 크다. 물의 녹는점과 끓는점을 올리고 물에 표면장력을 제공한다.

도마뱀붙이의 발은 분자들에 순간적으로 쌍극자들을 발생시켜 반데르발스 힘으로 어떤 표면에도 달라붙게 하는 강모(剛毛)라 부르는 머리카락 같은 구조로 되어 있다. 엔지니어들은 이 자연의 능력을 흉내 내기 위한 기술을 여러 가지 개발했다.

수소결합이 물의 표면분자들로 하여금 서로를 붙잡게 하기 때문에 소금쟁이가 연못 위를 걸을 수 있다.