[표지로 읽는 과학] 더 강하고 가벼운 금속재료를 만드는 법

사이언스 제공

국제학술지 ‘사이언스’는 17일 불규칙적인 형태를 가진 형형색색의 도형이 서로 연결돼 있는 모습을 표지로 실었다. 금속산화물을 녹여 붙이거나 표면에 안료를 구워서 붙인 색판 유리조각을 접합시켜 유리창으로 쓰는 스테인드글라스처럼 보이기도 한다. 이 사진의 정체는 적외선으로 촬영한 순티타늄이다.

순티타늄은 티타늄 종류 중 하나다. 티타늄은 다른 금속 재료에 비해 높은 비강도를 지녔다. 비강도는 재료의 강도를 밀도로 나눈 값으로 값이다. 가벼우면서 튼튼한 재료의 경우 높은 비강도를 지녔다고 할 수 있다. 다만 순티타늄은 높은 비강도를 가진 것은 사실이지만 그렇다고 강도 자체는 높지 않다. 강철에 비해 무른 강도를 보인다.

쉬텡 자오∙앤드류 마이너 미국 버클리 캘리포니아대 재료공학과 교수팀은 ‘나노쌍정’ 구조를 구현해 순티타늄의 강도를 높였다는 연구결과를 이번주 사이언스에 공개했다. 쌍정은 같은 종류의 광물에서 2개의 결정이 특정한 결정면이나 결정축에 대해 대칭적으로 결합한 1개체의 결정체를 뜻한다. 나노 쌍정은 나노 크기 수준에서 이런 결정체가 형성됐다는 것으로 금속재료에서 이 구조를 만들어 내면 높은 강도와 연성을 유도한다는 게 입증돼 있다.

문제는 나노쌍정 구조의 구현 여부다. 연구팀은 티타늄에서 나노쌍정 구조를 구현하는 데 성공했다. 액체 질소를 활용해 나노쌍정 구조를 잡고 이를 얼리고 녹이는 단계를 여러 번 반복해 순티타늄에서 나노쌍정 구조를 구현했다. 그 결과 순티타늄의 강도를 기존보다 50%, 연성은 20% 향상시키는 데 성공했다. 연구팀은 “873K(켈빈. 절대온도 단위로 K=℃+273.15)까지의 온도도 버틴다”며 “이는 여러 분야에서 요구하는 임계온도 이상”이라고 말했다. 

자오 교수는 “순티타늄에 나노쌍정 구조를 구현한 것은 과학적으로 흥미로울 뿐 아니라 산업적으로 봤을 때도 활용처가 넓다”며 “가스 터빈 엔진이나 화력 발전소 등에 활용 가능할 것”이라고 밝혔다.
 

[고재원 기자 jawon1212@donga.com]