자연계 최고로 단단한 소라껍데기의 비결은

2016.02.18 18:00
성균관대 제공
성균관대 제공
국내 공동 연구진이 소라껍데기가 잘 깨지거나 찢어지지 않는 비결을 밝혔다.

 

오상호 성균관대 에너지과학과 교수(사진)팀과 포항공대, 기초과학연구원(IBS) 연구진은 소라껍데기가 나노 크기의 결정이 서로 수직으로 배열된 구조 덕분에 단단하다는 사실을 확인했다고 18일 밝혔다.

 

소라껍데기는 자연계에 존재하는 물체 가운데 가장 단단한 물체로 꼽힌다. 과학자들은 이렇게 뛰어난 물성을 다른 재료에 적용하기 위해 단단함의 원인을 찾으려 했지만 여전히 수수께끼로 남아 있었다.

 

투과전자현미경으로 관찰한 소라껍데기의 구조. 연구진은 소라 껍데기에 균열이 가해지면(오른쪽 위) 배열이 달라지는 경계면이 균열을 저지하는 역할(오른쪽 아래)을 한다는 사실을 발견했다. - 성균관대 제공
투과전자현미경으로 관찰한 소라껍데기의 구조. 연구진은 소라 껍데기에 균열이 가해지면(오른쪽 위) 배열이 달라지는 경계면이 균열을 저지하는 역할(오른쪽 아래)을 한다는 사실을 발견했다. - 성균관대 제공

 

연구진은 소라껍데기의 특별한 결정 구조에 주목했다. 소라껍데기는 나노 수준의 간격으로 균일하게 배열된 탄산칼슘 결정이 층층이 쌓여있다. 층과 층 사이의 경계에는 결정의 배열 방향이 거울을 맞댄 것 같은 ‘쌍정’ 구조를 이룬다.

 

연구진은 나노 크기 물체의 변화를 실시간으로 관찰할 수 있는 투과전자현미경을 통해 소라껍데기에 균열을 일으켰을 때 일어나는 변화를 관찰했다.

 

그 결과 표면에서 균열이 가했을 때 쌍정의 경계면이 균열의 진행을 저지하거나 경로를 바꾸는 역할을 하는 것으로 나타났다. 외부에서 가해진 힘을 균열을 저지하는 데 소비하기 때문에 소라껍데기는 좀체 파괴되지 않는 셈이다.

 

실제로 탄산칼슘으로 이뤄진 광물 ‘아라고나이트’와 비교해 소라껍데기를 파괴할 때 드는 에너지는 수십 배 이상 큰 것으로 나타났다.

 

오 교수는 “소라껍데기의 구조를 모방하면 항공이나 군사용 재료로 적합한 가볍고 튼튼한 신소재를 개발할 수 있을 것”이라며 “나노 수준에서 벌어지는 현상을 전자현미경으로 실시간으로 관찰해 원리를 규명했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

 

연구결과는 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 17일자 온라인판에 실렸다.

 

 

 

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