▲ [다양한 재료의 포아송 비와 강도를 보여주는 그림] 탄성이 강한 지우개, 고무 등의 재료의 포아송 비는 0.5인 반면, 와인병의 마개로 사용되는 코르크는 0이다. 일반적인 금속재료의 포아송 비는 0.28에서 0.33에 이르며, 강도는 수백 MPa 수준이다. 음의 포아송 비를 갖는 비대 (肥大, Auxetic) 거동을 보이는 재료는 일반적으로 강도가 낮은 반면, 삿갓조개의 이빨 앞단은 음의 포아송 비뿐 아니라 수 GPa을 갖는 자연에서 가장 강한 재료이다

국내 연구진이 음의 포아송 비를 갖는 천연 나노복합체를 발견해 향후, 고강도, 내마모성을 갖는 경량 나노복합체 개발이 기대된다.

한국에너지공과대학교 (총장 윤의준, KENTECH)는 오상호 교수 연구팀이 한양대학교 김진경 교수, 싱가포르 난양공대 Hujian Gao 교수, 미국 브라운대학교, 독일 부퍼달 대학교, 오스트리아 레오벤 대학교와 공동연구를 통해 국내 해안에 서식하는 삿갓조개이빨의 독특한 비대 변형거동을 발견하고, 역학 모델링을 통해 메커니즘을 규명했다고 9일 밝혔다.

해안 바위에 흡착해서 서식하는 삿갓조개는 여러 쌍의 이빨들이 마치 컨베이어 벨트와 같이 바위 표면을 긁고 지나가는 방식으로 먹이를 채취한다. 습식 특성으로 인해 바위에 직접 접촉하는 삿갓조개 이빨의 최앞단 부분은 자연에서 존재하는 가장 강한 재료로 알려져 있다.

삿갓조개 이빨 앞단 부분은 나노막대 형상을 갖는 철산화물이 실리콘 산화물 매질에 약 50% 분율을 가지며 독특한 방식으로 배열된 나노복합체 구조를 갖고 있다.

이같은 천연 나노복합체는 인공 합성이 불가능할 정도로 이상적인 구조로 지구상에 존재하는 어떤 재료보다 높은 인장 강도를 갖는다. 삿갓조개 이빨의 인장강도는 3.6-5GPa로, 자연에서 가장 강한 재료로 알려진 거미줄의 인장강도가 약 1GPa임을 감안하면 이보다 3~5배가 큰 값을 갖는다.

삿갓조개 이빨은 높은 강도뿐만 아니라 변형 과정에서 일반적인 재료가 보이는 양의 포아송 비와는 반대로 음의 포아송 비를 갖는 비대 (肥大, Auxetic) 변형 거동을 보이는 것으로 처음 밝혀졌다.

포아송 비는 재료가 변형되는 과정에서 힘이 가해지는 방향과 수직한 방향으로의 변형량을 결정하는 비율이다. 재료가 한 방향으로 인장 변형되면 수직한 방향으로는 수축하게 되는데, 그 변형량이 포아송 비에 의해 결정된다.

예를 들어, 탄성력이 좋은 지우개의 포아송 비는 0.5, 철강재료는 0.28이다. 와인병의 마개로 사용되는 코르크는 0의 값을 갖기 때문에 위에서 눌러도 옆으로 늘어나지 않아 마개로 사용될 수 있다. 음의 포아송 비를 갖는 재료는 한 방향으로 늘어나면 수직한 방향으로 수축되지 않고 팽창하는 거동을 보이는데 이를 비대 (肥大, Auxetic) 거동을 보인다고 표현한다.

일반적으로 음의 포아송 비를 갖기 위해서는 내부 미세구조들이 회전할 수 있는 빈 공간이 필요하기 때문에 다공질 재료가 대부분이다. 이로 인해, 높은 강도를 가지면서 동시에 음의 포아송 비를 갖는 재료는 지금까지 알려진 바가 없다.

연구팀은 투과전자현미경 내에서 직접 인장변형을 수행하며 미세구조의 변화를 실시간 관찰한 결과 나노막대들이 모재와 강한 결합을 유지하면서도 독특한 회전 변형 거동을 보이는 것을 발견했다.

원자분해능으로 나노막대와 모재의 계면을 분석한 결과, 각 구성 성분이 수 나노미터 영역에서 점진적으로 변화하는 것이 관찰되었다. 이러한 독특한 계면 구조는 변형 과정에서 모재와 나노막대가 분리되지 않으면서도 나노막대들이 회전할 수 있게 해준다.

오상호 교수는 “삿갓조개 이빨의 나노복합체 구조는 오랜 시간 진화를 거듭하여 최적화된 고차원 미세구조로서 향후 자연에서 영감을 얻는 자연모사 공학으로 이어져 고강도, 고취성, 내마모 경량 재료 개발에 중요한 단서로 활용될 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구성과에는 켄텍 오상호 교수와 싱가포르 난양공대의 Huajian Gao 교수가 교신저자로 참여하였고, 한양대학교 김진경 교수, 미국 브라운대학교 Yue Liu 박사가 함께 공동 제1저자로 참여했다. 또, 저명한 국제학술지 Science Advances지에 온라인으로 12월 2일에 실렸다.