물보다 밀도가 적으면서도 동일한 형태의 강철만큼이나 강한 뼈와 유사한 물질이 독일 카를스루에공과대학(Karlsruhe Institute of Technology)의 Jens Bauer 연구팀에 의해 개발되었다.

 

이런 물질이 존재할 수 있다는 첫 번째 실험적 증거가 제시된 셈이다.

산업혁명 이래 새로운 재료에 대한 인류의 수요는 공급을 능가하여 왔다. 컴퓨터의 속도를 향상시키는 것에서부터 달의 대기에 진입할 때 열에 저항할 수 있는 물질에 이르기까지 다양한 재료들을 원하여 왔다.

 

그러나 대부분의 새로운 재료의 핵심 특성은 강도 및 강성(stiffness)에 있으며, 환언하면 굽힘이나 좌굴(buckling) 없이 얼마나 큰 하중을 견딜 수 있느냐는 것이다.

알려진 모든 물질은 차트 한 장에 간단히 나타낼 수 있다(각 선은 물질의 밀도 및 강도를 나타내며, 눈금 당 열 배의 차이를 나타낸다). 중간 지점의 1000kg/m3의 밀도는 물의 값이다. 좌측의 모든 물질은 물보다 가벼우며, 우측은 물보다 무거운 물질들이다.

 

다공성 물질을 제외하고는 물보다 가벼운 고체 물질은 없다. 목재나 뼈와 같은 다공성 물질은 현미경으로 관찰하면 독특한 구조를 보이며, 본 연구에 영감을 제공해주었다.

수 년 동안 재료과학자들은 압축강도-밀도 차트의 일부 빈 공간에 자신들의 이론적 물질들로 채울 수 있을 것으로 추측해 왔다. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 적절한 성질을 갖는 최적의 미세구조를 찾아낼 수 있었다. 하지만, 그 누구도 인간 머리카락 정도의 미세한 패턴을 갖는 물질을 구축할 수 있는 도구를 만들지는 못하였다.

그러나 최근 레이저 및 3D 프리팅 기술의 발달로, 독일회사인 Nanoscribe는 연구팀이 원하는 바를 만들어낼 수 있는 레이저를 공급하기 시작하였다. Nanoscribe의 시스템은 빛에 노출되면 반응하는 고분자와 렌즈를 사용해 작은 점에 초점을 맞출 수 있는 레이저를 사용하고 있다.

벌꿀 같은 고분자를 유리판 위에 놓고 레이저를 켠다. 컴퓨터를 이용한 설계를 시스템에 입력하고 유리판을 조심스럽게 이동시켜 레이저의 초점이 고분자의 원하는 부위에 위치하도록 한다. 그러면 레이저가 조사된 부분은 고체화된다. 일단 완료되어 여분의 액체를 씻어내면 복잡한 구조를 갖는 물질만이 남게 된다.

그러나 이런 물질 자체는 연구팀이 원하는 만큼 강하지 못하다. 그래서 연구팀은 시편에 압력을 가하기 전에 알루미나( alumina, aluminium oxide)를 사용해 얇게 코팅하였다. 테스트를 기반으로, 연구팀은 원하는 내부 구조를 갖도록 설계된 이론적 모델을 개선할 수 있었다. 본 연구결과는 Proceedings of the National Academy of Sciences지에 게재되었다.

알루미나 층이 물질의 밀도를 향상시킴에도 불구하고, 여전히 물보다 가벼웠다. 연구팀의 가장 강력한 물질은 벌집 모양의 내부 구조를 갖는 것으로, 50나노미터 두께로 알루미나가 코팅되어 있다.

 

이것은 밀도가 1000kg/m3보다 가벼운 어떤 자연적, 인위적 물질보다도 강도가 뛰어났다. 하중 280MPa도 견딜 수 있으며, 일부 형태의 강철만큼 단단하다.

여기에도 단점은 있다. Nanoscribe의 시스템은 수 십 마이크로미터 크기까지만 만들어낼 수 있다. 새로운 장비는 밀리미터 크기까지 만들 수 있지만 이제 막 상용화된 것이다.

 

그러나 실제 생활에 활용하기 위해서는 아직 충분하지 않다. 그러나 3D 프린팅, 고분자 및 레이저 기술의 빠른 기술 발전으로 인해 급속한 개선이 기대된다. 새로운 초경량 물질이 곧 등장하게 되어 스키에서부터 항공기까지 다양한 분야에 활용될 것으로 예상된다.

 

 

 

 

Materials shape human progress – think stone age or bronze age. The 21st century has been referred to as the molecular age, a time when scientists are beginning to manipulate materials at the atomic level to create new substances with astounding properties.

 

Taking a step in that direction, Jens Bauer at the Karlsruher Institute of Technology (KIT) and his colleagues have developed a bone-like material that is less dense than water, but as strong as some forms of steel. "This is the first experimental proof that such materials can exist," Bauer said.

 

Since the Industrial Revolution our demand for new materials has outstripped supply. We want these materials to do many different things, from improving the speed of computers to withstanding the heat when entering Mars' atmosphere.

 

However, a key feature of most new materials still remains in their strength and stiffness – that is, how much load can they carry without bending or buckling.

 

All known materials can be represented quite neatly in one chart (where each line means the strength or density of the material goes up ten times):

 

The line in the middle at 1000kg/m³ is the density of water – all materials to its left are lighter than water and those on the right are heavier.

 

No solid material is lighter than water unless it is porous. Porous materials like wood and bone exhibit exquisite structures when observed under a microscope, and they served as inspiration for Bauer's work.

 

For many years, material scientists have thought that some empty areas on the compressive strength-density chart should be filled by materials that theory predicts. Computer simulations could be used to indicate an optimum microstructure that would give a material the right properties. However, nobody had tools to build materials with defined patterns at the scale of a human hair.

 

With recent developments in lasers and 3D printing, however, a German company called Nanoscribe started offering lasers that could do just what Bauer wanted.

 

Nanoscribe's system involves the use of a polymer that reacts when exposed to light and a laser that can be neatly focused on a tiny spot with the help of lenses.

 

A drop of a honey-like polymer is placed on a glass slide and the laser is turned on. A computer-aided design is fed into the system and the slide carefully moves such that the laser's stationary focus touches only those points where the material is to be made solid. Once complete, the extra liquid is washed away, leaving behind materials with intricate internal structures.