머리카락 한 가닥을 문지르면 왜 작은 용수철처럼 말리는가

머리카락 한 가닥을 집어 한쪽 끝을 집고 엄지손톱을 길이 방향으로 끌어보자. 놓아라. 끝은 곧게 남아 있지 않다. 마치 볼펜 안에 들어 있는 용수철처럼 작고 단단한 코일로 꼬인다. 돈 한 푼 들지 않고 거의 항상 성공하는 재미있는 파티 묘기다.

언뜻 보면 이는 말이 되지 않는다. 재료를 길이 방향으로만 당기면 옆으로 말리는 게 아니라 늘어나야 한다. 곧게 당긴 고무줄이 갑자기 나선형으로 휘지는 않는다. 그렇다면 머리카락은 무슨 일을 하는 걸까?

답은 구조에서 시작된다. 머리카락은 단순한 단단한 막대가 아니다. 주로 케라틴으로 이루어져 있는데, 이 단백질은 길고 밧줄 같은 섬유로 조립된다. 이 섬유들은 케이블의 가닥처럼 꼬인 배열로 모발 줄기 안에 촘촘히 들어 있다. 손톱을 표면에 끌 때, 당신은 고르게 당기는 게 아니다. 한쪽을 다른 쪽보다 더 긁어내어, 장력이 걸린 쪽과 그대로 남은 쪽 사이에 불일치를 만든다.

늘어난 쪽은 약간 더 길고 가늘어진다. 다른 쪽은 그대로 있다. 두 쪽의 길이가 이제 다르기 때문에, 가닥은 더 짧은 쪽으로 휘어질 수밖에 없다. 마치 바이메탈 스트립이 한 층이 다른 층보다 더 많이 팽창할 때 휘는 것과 같다. 이것을 길이 방향으로 반복하면 휘어짐이 쌓여 나선이 된다.

여기에는 두 번째 효과도 작용한다. 케라틴 섬유에는 선호하는 꼬임 방향이 있고, 머리카락은 압축될 때 자연스럽게 코일처럼 말리는 경향이 있다. 한쪽 가장자리를 늘리면서 나머지가 저항하면 줄기 방향으로 토크, 즉 비틀림 힘이 생긴다. 가닥을 놓으면 저장된 에너지가 무작위한 엉킴이 아니라 깔끔한 나선으로 풀린다.

결과는 당신의 머리카락에 따라 다르다. 가늘고 곧은 머리카락은 단단하고 고르게 말리는 경향이 있다. 굵거나 화학 처리를 한 머리카락 — 탈색, 파마, 매직 스트레이트 — 은 내부 단백질 구조가 이미 손상되어 있어 예측할 수 없이 꺾이거나 끊어질 수 있다. 습도도 중요하다. 젖은 머리카락은 물 분자가 케라틴 섬유 사이로 미끄러져 결합을 느슨하게 하기 때문에 더 탄력적이다.

머리카락 생체역학을 연구하는 연구자들은 이 행동을 유용하게 여긴다. 같은 원리가 머리카락이 왜 엉키는지, 왜 갈라진 끝이 생기는지, 그리고 왜 한 가닥이 섬유 및 재료 연구에서 작은 비틀림 용수철처럼 작용할 수 있는지를 설명한다. 일부 실험실에서는 유연한 센서와 소프트 로봇의 모델로 머리카락에서 영감을 받은 코일을 연구하기도 했다.

그러니 다음번에 소매에서 빠진 머리카락을 발견하면 한번 해보라. 집고, 당기고, 놓아라. 하찮은 순간처럼 보이는 것이 실은 재료과학의 작은 시연이며, 일상적인 물체는 자세히 들여다보면 우리의 직관이 말하는 대로 행동하는 경우가 거의 없다는 것을 일깨워준다.