[표지로 읽는 과학] 고체·액체 오가는 사슬 모양 재료

사이언스 제공

이번 주 국제학술지 ‘사이언스’에는 사슬 모양 이미지가 실렸다. 중세 시대 쇠사슬 갑옷처럼 얽혀 있는 사슬 모양의 이 블록은 서로 연결돼 있지만 단단하게 결합된 상태는 아니다. 외부 자극을 받으면 다양한 결정학적 네트워크를 형성할 수 있는 구조를 갖고 있다. 

사슬 형태를 유연하게 유지할 수 있는 건 특정 고리형 분자의 특성 때문이다. 고분자 고리 화합물인 캐터네인은 기계적 결합이 일어나면 소형의 분자 기계로 기능할 수 있다.

또 여러 분자가 사슬로 연결된 폴리카테네이션 구조는 외부 압력에 의해 다양하게 변형이 일어나는 기계적 특성을 가진 3차원 재료로 쓰일 수 있다. 과학자들은 사슬 모양 구조가 적층 제조 공정에 유용하게 쓰일 것으로 보고 있다.

사메 타우픽 미국 어버너-섐페인 일리노이대(UIUC) 공대 교수 연구팀은 압력을 가하는 정도에 따라 고체 또는 액체와 같은 움직임을 보이는 3차원 사슬 형태의 재료를 16일 사이언스에 소개했다. 

이 재료는 고정적인 모양을 갖고 있지 않다. 또 쉽게 깨지지 않으면서도 자유롭게 움직일 수 있다. 연구팀은 이 재료가 물리학 분야는 물론 소프트 로보틱스, 자극 반응 시스템 등 공학 분야에서도 다양하게 응용 가능할 것이라고 설명했다. 

원제 조우 미국 캘리포니아공대 공학·응용과학과 박사후연구원 연구팀도 같은날 3차원으로 다중 연결된 건축 재료를 제시했다. 외부 하중에 반응해 이 재료는 비뉴턴 유체처럼 움직인다. 비뉴턴 유체는 응력과 변형률 사이의 관계를 비례식으로 나타낼 수 없는 유체로 힘이 가해지는 정도에 따라 액체 또는 고체가 된다. 

연구팀이 제시한 이 재료는 거시적 규모에서는 격자나 포말처럼 움직이고 비선형적인 응력-변형률 관계를 유지한다. 미시적 규모에서는 정전기에 반응해 모양이 변형된다는 점도 입증됐다.  

연구팀은 “비뉴턴 유체처럼 움직이는 재료를 만드는 설계 전략은 자극 반응성 재료, 에너지 흡수 시스템, 변형 아키텍처 등 맞춤형 기계 반응이 필요한 곳에 유용하게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

[문세영 기자 moon09@donga.com]