MIT, 플라스틱처럼 가볍고 강철보다 강한 물질 개발

과학자들이 플라스틱처럼 가볍지만 강철보다 강한 물질을 개발했다. 쓸모가 너무 많아 시장의 호평이 기대된다.

플라스틱처럼 가볍고 강철보다 강하며 방탄유리보다 4~6배 더 변형되기 힘든 소재가 곧 스마트폰 화면을 보호하는 데 사용될 수도 있다.

매사추세츠 공과 대학(Massachusetts Institute of Technology)의 전문가들이 만든 이 물질은 그동안 불가능하다고 생각했던 것을 해결했다.

모든 화학제품의 기본 골격은 원자(Atom)로 구성되어 있다. 2개 이상 원자로 결합된 물질을 분자라고 한다. 모든 화학제품은 분자 단위로 형성되어 있다.
분자를 구성하고 있는 각각의 원자들은 서로 잡아당기는 전기적 힘이 있다. 결합력(Bond Strength)이다. 원자들 사이에 2쌍의 전자를 공유하고 있는 분자결합이 이중결합(Double Bond)이다. 이중결합으로 결합된 분자에 열과 압력을 가하면 결합이 끊어지면서 다른 분자와 새로운 결합을 할 수 있다. 새로운 결합을 활성화하려면 촉진제로써 촉매를 사용할 수 있다.

이 원리를 이용하여 단분자인 물질을 복잡한 구조를 갖는 고분자(High Molecule 혹은 Polymer)물질로 전환시킬 수 있다.

단분자를 사용하여 고분자화 시키는 반응을 중합(Polymerization)반응이라고 한다. 폴리머의 예로는 단백질, 셀룰로오스, 플라스틱 및 테플론이 있다.

마이클 스트라노 MIT대학 교수와 동료들이 당초 폴리머가 길고 1차원적인 사슬만 형성할 수 있다고 생각했다. 그러나 팀은 특정 단량체를 사용하여 가볍고 매우 강한 적층 재료를 형성하는 시트와 같은 2D 단량체를 생성할 수 있음을 보여주었다.

연구를 이끈 스트라노 교수는 일반적으로 플라스틱으로 건물을 지탱하는 데 사용할 수 있다고 생각하지 않지만 폴리머를 사용하면 가능하다는 입장을 내놓았다.
모든 플라스틱을 포함하는 폴리머는 모노머라고 하는 빌딩 블록의 사슬로 구성된다. 이 사슬은 끝에 새로운 분자를 추가하여 성장한다.

폴리머는 일단 형성되면 사출 성형을 사용해 물병 같은 3D 물체로 성형될 수 있다. 폴리머 과학자들은 폴리머가 2D 시트로 성장하도록 유도될 수 있다면 매우 강하고 가벼운 재료를 형성해야 한다고 오랫동안 가설을 세워 왔다.

그러나 이 분야에서 수십 년에 걸친 작업으로 그러한 시트를 만드는 것이 불가능하다는 결론이 나왔다. 하지만 MIT 교수인 마이클 스트라노와 그의 동료들이 폴리아라미드라고 하는 2D 시트를 생성할 수 있는 새로운 중합 공정을 고안했다.

이 문제를 극복하기 위해 연구진은 탄소와 질소 고리로 구성된 멜라민이라는 화합물을 사용했다. 일반적으로 플라스틱 식기를 만드는 데 사용한다.

팀은 올바른 조건에서 멜라민 단량체를 사용해 위에 쌓는 2차원 디스크를 성장시킬 수 있음을 발견했다. 각 층은 수소 결합으로 유지되어 매우 강하고 안정적이다.

스파게티 모양의 분자를 만드는 대신 시트 모양의 분자 평면을 만들 수 있다. 분자가 2차원적으로 서로 달라붙게 만들 수 있다. 이 물질은 물체를 변형시키는 데 필요한 힘의 척도인 탄성계수를 갖고 있는데 방탄유리보다 4~6배 더 크다.

한편, 항복 강도로 알려진 중합체를 파괴하는 데 필요한 힘은 강철 밀도의 약 6분의 1에 불과한데도 강철의 2배다. 재료가 스스로 조립되기 때문에 시작 성분의 양만 늘리면 쉽게 대량으로 생산할 수 있다.

스트라노 교수는 실험에 성공함으로써 매우 강하지만 극도로 얇은 물질로 만드는 것이 훨씬 수월한 평평한 분자를 갖게 될 것이라고 밝혔다.

2DPA-1이라는 새 소재는 폴리아라미드 필름으로 알려져 있다. 다른 소재를 코팅하는 데 사용할 수 있다. 코일 형태의 단량체 사슬이 그 사이에 틈을 남겨 가스가 누출되는 다른 중합체와 달리 2DPA-1의 단량체는 레고 벽돌처럼 단단히 결합되어 상당한 불투과성을 갖는다.

스트라노 교수는 2DPA-1이 물이나 가스의 통과를 완전히 방지하는 초박막 코팅을 만들 수 있게 해준다고 말한다. 이러한 유형의 차단 코팅은 자동차 및 기타 차량의 금속 또는 강철 구조물을 보호하는 데 사용할 수 있다.

연구원들은 새로운 재료를 만드는 과정에 대해 두 가지 특허를 출원했다. 팀은 현재 폴리머가 2차원 시트를 형성할 수 있는 방법을 정확하게 조사하여 다른 종류의 새롭고 잠재적으로 유용한 재료를 만들 수 있는지 확인 중이다. 연구의 전체 결과는 네이처 저널에 실려 있다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com