도마뱀이 벽에 붙는 비밀? 반데르발스 힘의 모든 것
게코 도마뱀 한 마리는 자기 체중의 수백 배에 달하는 무게를 발바닥 하나로 지탱할 수 있다. 접착제도 없고, 흡착판도 없다. 비결은 원자 사이에서 작용하는 극도로 미세한 힘, 바로 반데르발스 힘(Van der Waals force)이다. 이 힘은 너무 약해서 개별 분자 하나로는 아무것도 들어 올리지 못하지만, 수억 개가 동시에 작용하면 이야기가 완전히 달라진다. Photo by Bin White on Unsplash 반데르발스 힘이란 무엇인가? 원자 사이의 보이지 않는 접착제 전기적 중립인데 왜 끌어당기는가 원자나 분자는 대부분 전기적으로 중립이다. 양전하와 음전하가 균형을 이루고 있다는 뜻이다. 그런데 전자는 끊임없이 움직이기 때문에, 어느 순간 한쪽으로 쏠리면서 순간적인 쌍극자(dipole)를 만들어낸다. 이 순간적인 전하 불균형이 옆 분자에 영향을 주고, 그 분자도 반응해서 서로 끌어당기는 힘이 생긴다. 이것이 반데르발스 힘의 핵심 메커니즘이다. 반데르발스 힘은 사실 하나의 힘이 아니라 세 가지 상호작용의 묶음이다. 첫째는 두 영구 쌍극자 사이의 쿠퍼(Keesom) 상호작용, 둘째는 영구 쌍극자가 중성 분자를 유도하는 데바이(Debye) 상호작용, 셋째는 순간 쌍극자끼리 작용하는 런던 분산력(London dispersion force)이다. 이 중 런던 분산력은 수소나 비활성 기체처럼 극성이 전혀 없는 분자에서도 작용하기 때문에 가장 보편적인 형태다. 얼마나 약한 힘인가 반데르발스 힘은 공유결합이나 이온결합에 비하면 수십에서 수백 배 약하다. 물 분자들이 서로 묶이는 수소결합보다도 훨씬 약하다. 그런데 이 힘은 거리에 극도로 민감하다. 두 분자 사이 거리가 두 배로 늘어나면 힘은 여섯 제곱에 반비례해서 줄어든다. 즉, 거리가 조금만 멀어져도 힘은 거의 사라진다. 반데르발스 힘은 개별적으로는 무시해도 될 만큼 약하지만, 충분히 가까운 표면이 충분히 많이 접촉하면 그 합산...