사용할수록 강해지는 신소재가 개발됐다. 뼈에 하중이 가해지면 혈액이 미네랄을 합성해 골밀도를 증가시키는 원리를 응용한 기술이다.
20일 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 강성훈 교수 연구팀은 미국 존스홉킨스대학, 조지아공과대학 등의 연구진과 공동으로 뼈가 운동을 하면 더 강해지는 것처럼 반복적으로 사용할수록 더 강해지는 신소재를 개발했다. 이 신소재는 인공뼈나 임플란트뿐 아니라 선박과 항공기, 자동차, 구조물의 소재로도 활용 가능할 것으로 기대하고 있다.
통상 아파트 건물이나 차량 등은 반복적으로 하중을 받으면 성능이 저하되면서 일정시간이 지나면 고장나거나 파손돼 버린다. 이에 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 뼈가 운동에 의해 강해지는 생체원리를 응용해 힘을 많이 가할수록 더 많은 전하가 생성되는 다공성 압전 바탕재를 만든 후 그 안에 피와 유사한 미네랄 성분을 갖는 전해질을 넣어 복합재료를 합성했다.
연구팀은 이렇게 만든 복합재료에 주기적으로 힘을 가한 후 재료의 물성 변화를 측정했다. 그 결과, 응력의 빈도와 크기에 비례해서 재료의 강성이 향상되고 아울러 에너지 소산 능력도 향상됐다. 마이크로 CT로 내부구조를 촬영해보니, 이같은 특성이 생기는 원리가 반복적인 응력에 의해 다공성 재료 내부에 미네랄이 형성되고, 커다란 힘이 가해졌을 때는 파괴되면서 에너지를 소산시키며 다시 반복적인 응력을 가하면 미네랄이 다시 형성되는 사이클 때문이라는 사실을 파악했다.
이에 따라 기존 재료들과 달리, 연구팀이 새로 개발한 신소재는 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수력이 동시에 향상됐던 것이다. 또 가해지는 응력의 크기와 빈도에 비례해서 물성이 더 강해지기 때문에 구조물용으로 사용하기 적합하다고 연구진은 설명했다. 특히 자가 조정이 가능하며 자가 치유 능력까지 가지고 있다는 것이다.
강성훈 교수는 "이번에 개발된 신소재는 기존 재료에 비해 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수가 잘되는 특성을 가지고 있어, 인공관절뿐 아니라 항공기, 선박, 자동차, 구조물 등 다양한 분야에서 응용될 수 있을 것"이라고 기대했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시즈(Science Advances)' 게재됐다.
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