아파트 건물이나 차량을 구성한 재료는 반복적으로 하중을 받으면 시간이 지나면서 성장이 저하되고 고장이 난다. 하지만 인간의 뼈는 하중이 가해질수록 내부의 피로부터 미네랄이 합성되면서 골밀도를 증가시키기도 한다. 이때문에 뼈는 운동을 할수록 강해진다. 이같은 원리에서 영감을 얻은 생체모방기술을 이용해 사용할수록 단단해지는 신소재를 한미공동연구팀이 개발했다.
카이스트(KAIST)는 신소재공학과 강성훈 교수 연구팀이 존스홉킨스 대학, 조지아 공과대학과 공동연구를 통해 뼈가 운동을 하면 더 강해지는 것과 같이 반복적으로 사용할수록 더욱 강해지는 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다.
연구팀은 뼈가 운동과 같이 응력이 가해졌을 때 세포의 작용에 의해 미네랄을 형성해서 더욱 강해지는 특성에서 착안해 세포의 작용에 의존하지 않고도 응력을 가하면 스스로 미네랄을 합성해 더욱 강해지는 신소재를 개발했다. 연구팀은 세포의 작용을 대체하기 위해 힘을 많이 가할수록 더 많은 전하를 생성하는 다공성 압전(힘을 전기로 변환하는 작용) 바탕재를 만들었고, 그 안에 피와 유사한 미네랄 성분을 갖는 전해질을 넣은 복합재료를 합성했다. 그리고 이 재료에 주기적인 힘을 가한 후 재료의 물성 변화를 측정한 결과 응력의 빈도와 크기에 비례해서 재료의 강성이 향상되고 아울러 에너지 소산 능력도 향상되는 결과를 확인했다. 미네랄이 반복적인 응력에 의해 다공성 재료 내부에 형성되고, 커다란 힘이 가해졌을 때는 파괴되면서 에너지를 소산시키며, 나아가 다시 반복적인 응력을 가하면 미네랄이 다시 형성되기 때문이라는 사실을 마이크로 CT를 이용한 내부 구조 촬영을 통해 밝혀냈다. 기존 재료들은 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 감소되는 것과 달리 해당 재료는 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 동시에 향상된 것이다. 또한 가해지는 응력의 크기와 빈도에 비례해 특성이 향상되기 때문에 구조물의 용도에 적합한 기계적 물성 분포를 갖도록 자가 조정이 가능하며 자가 치유 능력도 갖고 있다. 강성훈 교수는 “이번 연구를 통해서 개발된 신소재는 기존 재료에 비해 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수가 잘되는 특성을 가지게 되므로 인공 관절 뿐만 아니라, 항공기, 선박, 자동차, 구조물 등 다양한 분야에 원리가 응용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.
강성훈 교수가 교신저자로 발표한 이번 연구는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시즈(Science Advances)' 2월 11권 6호에 출판됐다.
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