KIMS 해외단신 66호 (2011.03.25)

약한 것이 강하다, 스스로 치유하는 소재

    사이언스데일리는 미국 피츠버그 대학과 카네기멜론 대학의 연구팀이 스스로 치유하는 소재가 어떤 원리로 구성되어 있는지를 알 수 있는 새로운 모델을 개발했다고 밝혔다. 관련기사는 이들 연구팀이 특정 개수의 깨지기 쉬운 결합을 가진 소재가 더 많은 충격을 흡수할 수 있다는 사실을 알아냈다는 사실 또한 제시하고 있다. 미국 화학 학회가 발행하는 랭뮤어(Langmuir)지의 보고서에 따르면 이는 충격에 대한 회복력이 있는 전복 조개에서 발견한 자연의 트릭이라고 한다.

    다음은 사이언스데일리 2011년 3월 22일자 관련기사에서 발췌, 번역한 내용이다.

    “지금까지는 강한 것이 살아남는다는 법칙이 통용되어 왔다. 하지만 피츠버그 대학의 연구자들은 최근 스스로 치유하는 소재의 세계에서 살아남는 것은 연약한 것이라는 사실을 알아냈다.

    연구팀은 랭뮤어지에서 상처를 입으면 재생하고 코팅 또는 복합 소재로 각광받고 있는 나노스케일 젤 입자로 만들어진 스스로 치유하는 소재의 내부 움직임을 보여주는 새로운 모델을 제시하고 있다. 더욱이 연구자들은 이상적인 비율의 약한 결합이 더 많은 충격을 견딜 수 있는 강한 소재를 만든다는 사실을 밝히고 있다.

    비록 스스로 치유하는 나노젤 소재가 연구실에서 이미 실현은 되었지만 정확한 기계적 환경과 이상적인 구조는 아직 알려지지 않고 있다. 연구팀의 발견은 스스로 치유하는 나노젤 소재가 어떤 원리로 작용하고 있는지를 밝히고 있을 뿐만 아니라 더욱 회복력이 좋은 디자인을 창조할 수 있는 청사진을 제시하고 있다.

    연구팀은 스펀지의 합성이며 여러 개의 촉수 같은 결합으로 입자가 연결된 미세 고분자 입자인, 또한 나노젤로 알려진 스스로 치유하는 소재 마시야제위스키(Matyjaszewski)를 토대로 하여 제작된 Gnegy, Kolmakov, Salib라는 컴퓨터 모델을 사용해 연구를 진행했다. 나노젤 입자는 전체적인 강도를 제공하는 안정적인 결합과 깨질 수 있고 쉽게 형태가 변하는 불안정한 결합으로 구성되어 있으며 이들 결합은 충격흡수 기능을 한다.

    컴퓨터 모델을 이용해 연구자들은 다양한 결합 구성의 성능시험을 수행할 수 있었다. 고분자들은 하나의 강력한 결합으로 끝과 끝이 연결된 촉수를 가진 나노젤과 비슷한 구성으로 표시되었다. 충격 시험 시뮬레이션은 비록 이러한 결합들이 잠깐의 충격으로부터는 회복할 수 있지만 스트레칭(stretching) 또는 풀링(pulling)과 같은 장시간의 장력에는 견딜 수 없다는 사실을 알려주었다. 또한 연구팀은 입자가 여러 개의 평행한 결합으로 연결되어 있을 때 나노젤이 더 많은 충격을 흡수하고 스스로 회복할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

    그래서 연구팀은 가장 효과적인 평행 불안정한 결합의 집합을 얻고자 노력했다. 컴퓨터 모델에 따르면 적은 양의 불안정 결합으로도 회복력을 크게 향상시킬 수 있다는 사실을 알 수 있다. 예를 들면, 4개의 그룹에 평행 불안정한 결합이 위치하고 있는, 불안정한 결합이 30%인 샘플이 안정적인 결합만으로 구성된 샘플에 비해 최대 200%까지 충격을 더 견딜 수 있다. 하지만 너무 많은 불안정 연결은 스스로 치유하는 능력이 없어지고 나노젤이 부러질 정도로 너무 단단하다고 연구자들은 보고하고 있다.

    피츠모델은 같은 조건이 적용된, 단단하기로 유명한 전복 조개의 자연현상으로 입증되었다. 미세한 세라믹판의 아말감화(amalgamation)와 적은 양의 부드러운 단백질로 구성된 전복 조개는 부스러지기 보다는 스트레칭(stretching)과 슬라이딩(sliding)을 통해 충격을 흡수한다.”

    결론적으로 이번 연구 결과는 쉽게 부서지고 변형되는 소재의 전체적인 강도가 훨씬 높다는 사실을 알려주고 있다. 다시 말해 약간의 약함은 소재가 더 좋은 기계적 특성을 가질 수 있도록 한다.