페삭 벤슨, 오메르 노보셀스키 기자 • 2026년 9월 9일

예루살렘, 2026년 9월 9일 (TPS-IL) — 이스라엘 및 국제 연구진의 새로운 연구가 재료에 눈에 보이는 균열이 갑자기 발생하기 전에 재료가 파손되기 시작할 때를 감지하는 데 도움이 될 수 있다.

연구진은 균열이 천천히 확장되는 작은 손상 영역에서 시작되어 급격히 성장하는 균열로 변형될 수 있음을 발견했다. 이 발견은 엔지니어들에게 개발 중인 파손을 더 일찍 식별할 수 있는 잠재적인 방법을 제공할 수 있다. 동일한 메커니즘이 지진이 어떻게 시작되는지에 대한 통찰력을 제공할 수도 있지만, 이러한 느리게 움직이는 전조를 감지하는 것은 여전히 ​​큰 과제로 남아 있다.

이 연구는 예루살렘 히브리 대학교 라카 물리학 연구소의 유발 파즈와 제이 파인버그 교수가 베이징 공과대학교의 멍 왕, CNRS/ENS 드 리옹의 모크타르 아다-베디아와 함께 주도했다.

인간의 눈에는 유리나 플라스틱이 즉시 깨지는 것처럼 보일 수 있다. 하지만 파손 과정의 상당 부분은 최종 파손 전에 발생한다. 충분한 응력이 가해지면 재료 내부에 작은 손상 영역이 형성되고, 즉시 균열이 되지 않고 천천히 바깥쪽으로 확장된다.

파인버그 교수는 이스라엘 언론 서비스(The Press Service of Israel)와의 인터뷰에서 “우리 연구는 재료와 그 안정성 및 강도를 연구하는 사람들에게 중요한 3가지 별개의 질문을 통합했다”고 말했다.

과학자들은 균열이 빠르게 움직이기 시작하면 어떻게 행동하는지 오랫동안 이해해 왔지만, 균열이 어떻게 시작되는지를 설명하는 것은 더 어려웠다. 이 연구는 과학자들이 “크리프(creep)”라고 부르는 이 초기 단계에 대한 기계적인 설명을 제공한다.

파인버그 교수는 TPS-IL에 “생각해보면 이것이 재료의 결함이 항상 형성되는 자연스러운 방식”이라고 설명했다.

연구진은 재료 자체보다 훨씬 작은 초기 결함이 어떻게 성장하여 재료 전체를 관통하는지 이해하려고 했다. 그들의 실험은 손상된 영역이 초당 마이크론에서 밀리미터까지의 속도로 극도로 느리게 확장되며, 전체 파손 과정의 최소 75%를 차지한다는 것을 보여주었다.

결정적인 전환은 손상된 영역이 재료의 전체 두께에 도달할 때 발생한다.

파인버그 교수는 “이 패치는 재료의 두께를 완전히 관통할 때 본질적으로 ‘위상’이 바뀐다”고 말했다.

더 간단히 말해, 손상된 영역은 가장자리를 따라 확장되는 작은 패치로 시작된다. 재료 전체를 완전히 관통하면 일반적인 균열이 된다. 그 시점에서 균열은 성장하기 위해 훨씬 적은 에너지가 필요하며 빠르게 가속될 수 있다.

결함에서 파손까지

연구진은 또한 파손이 전통적인 파손 이론에서 예측하는 것보다 훨씬 작은 크기, 즉 약 0.1밀리미터에서 시작될 수 있으며, 이는 약 1밀리미터인 그리피스 길이(Griffith length)로 알려진 전통적인 임계 크기와 비교된다고 밝혔다.

이 발견은 재료에 작용하는 응력뿐만 아니라 기존 결함의 크기와 기하학적 구조가 파손이 시작되는 시기를 결정하는 데 역할을 한다는 것을 시사한다.

파인버그 교수는 TPS-IL에 “이론의 근본적인 기반은 전적으로 일반적이며 단순히 결함이나 균열의 기하학적 구조와 관련이 있다”며 “우리 이론의 강점은 단순함에 있다. 우리는 단순히 균열의 기하학적 구조의 영향을 올바르게 설명했다”고 말했다.

이 발견은 또한 단층선을 따라 작용하는 응력이 지각판을 제자리에 고정하는 힘을 극복하여 판이 갑자기 미끄러지게 할 때 발생하는 지진에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.

파인버그 교수는 TPS-IL에 “지진 역학과 파손 과정은 (수학적으로) 동일하기 때문에, 우리 연구 결과는 지진 전조가 어떻게 행동해야 하는지를 예측한다”고 말했다.

연구진의 발견은 지진 파열도 마찬가지로 갑자기 가속되기 전에 천천히 확장되는 영역에서 시작될 수 있음을 시사한다. 파인버그 교수는 그의 팀이 이전에 마찰 연구에서 유사한 전환을 관찰했다고 말했다.

이러한 발견이 과학자들이 현재 지진을 예측하거나 재료가 언제 파손될지 정확히 결정할 수 있다는 것을 의미하지는 않는다. 주요 과제는 치명적인 파손이 발생하기 전에 이러한 느리게 움직이는 영역을 감지하는 것이다.

파인버그 교수는 TPS-IL에 “매우 느리기 때문에 확장되는 동안 어떤 ‘소음’도 내지 않는다”며 소리나 지진 신호를 통해 감지하기 어렵다고 말했다.

연구진이 궁극적으로 이러한 전조를 감지할 수 있는 신뢰할 수 있는 방법을 개발할 수 있다면, 그 발견은 실질적인 응용을 가질 수 있다.

파인버그 교수는 TPS-IL에 “우리가 성공한다면 재료의 사용 수명을 연장하거나, 지진의 경우 지진이 시작되고 있다는 조기 경보를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.

이 연구는 동료 검토 저널인 Physical Review Letters에 게재되었다.