뼈는 나이가 들면 골밀도가 낮아져 약해진다. 그러나 운동을 통해 하중이 가해지면 내부에서 미네랄이 합성돼 골밀도가 증가하며 뼈를 강하게 만들 수 있다.
사람의 뼈에서 영감을 받은 생체모방기술로 사용하면 할수록 단단해지는 신개념 신소재가 한국과 미국 공동 연구진에 의해 개발돼 주목받고 있다.
강성훈 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수 연구진은 미국 존스홉킨스대, 조지아공과대와의 공동 연구를 통해 반복 사용할수록 더욱 강해지는 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다.
일반적으로 건물이나 차량 등을 구성하는 소재는 반복적인 하중을 받으면 성능이 저하돼 고장이 나거나 파손이 발생할 수 있다. 오래된 건물이 무너지는 것도 이 때문이다.
한미 연구진은 이를 해결하고자 사람의 뼈를 주목했다. 뼈는 응력이 가해졌을 때 세포의 작용에 의해 미네랄을 형성해서 더욱 강해지는 특성이 있는데, 여기서 영감을 얻은 것이다.
연구진은 힘을 많이 가할수록 압력으로 인해 많은 전하를 생성하는 다공성 압전 바탕재를 만든 뒤 그 안에 피와 유사한 미네랄 성분을 갖는 전해질을 넣은 복합재료를 합성하는데 성공했다.
압전은 힘을 전기로 변환하는 작용을 말한다. 연구팀은 발한 재료에 주기적인 힘을 가한 후 재료의 물성 변화를 측정한 결과 응력의 빈도와 크기에 비례해서 재료의 강성이 높아지고 충격을 흡수하는 능력이 향상된다는 사실을 확인했다,
특히 마이크로 CT로 내부 구조를 관찰한 결과 미네랄이 반복적인 응력에 의해 다공성 재료 내부에 형성되고 커다란 힘이 가해졌을 때는 파괴되면서 에너지를 분산시키고 다시 반복적인 응력을 가하면 미네랄이 다시 형성됐다.
기존 소재들이 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 감소되는 것과 달리 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 동시에 향상되는 특성을 보여 준 것이다.
또 이 재료는 가해지는 응력의 크기와 빈도에 비례해서 특성이 향상되기에 구조물의 용도에 적합한 기계적 물성 분포를 갖도록 자가 조정이 가능하며 자가 치유 능력을 갖고 있다는게 연구팀의 설명이다.
강성훈 교수는 “개발한 신소재는 인공관절 뿐만 아니라 항공기, 선박, 자동차, 구조물 등 다양한 분야에 해당 원리를 응용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 해외우수과학자유치사업 (Brain Pool Plus)의 지원을 받아 존스홉킨스대학 극한재료연구소와 조지아 공과대학과 공동연구로 수행됐다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난 7일 게재됐다.
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