Ling Li는 더 강한 세라믹 폼을 위해 성게를 찾습니다.

Sep 28, 2023

2022년 10월 27일

버지니아공대 기계공학과 조교수 Ling Li는 가벼운 합성 세라믹을 만들 수 있는 성게 외골격의 다공성 미세 구조에 대한 미스터리를 풀었습니다. 그의 연구 결과는 10월 14일 Nature Communications에 게재되었습니다.

세라믹은 열에 대한 저항력이 매우 높기 때문에 음속보다 빠르게 이동하는 고속 차량의 혹독한 열 요구 사항을 관리하는 데 가장 선호되는 선택입니다. 이러한 엄청난 속도에서 압축 공기는 차량에 상당한 마찰을 일으키고 그 결과 차량이 직면하는 열이 급격히 증가합니다.

내열성은 세라믹의 장점이지만 손상에 대한 내성은 약점입니다. 세라믹 판에 단 한번의 충격이 가해지면 균열이 빠르게 확산되어 전체 구조가 파손될 수 있습니다. 세라믹은 무게 감소를 위해 다공성으로 만들면 손상에 대한 내성이 더욱 약해집니다. 그러나 무게를 줄이는 것은 고속 차량을 포함한 많은 구조적 응용 분야에서 중요한 요구 사항입니다.

Li의 연구 후원자 중 하나인 미 공군은 오랫동안 세라믹 재료의 기계적 성능을 향상시키는 데 관심을 가져왔습니다. 리 교수팀은 공군 과학연구실로부터 재정적 지원을 받는 것 외에도 국립과학재단(National Science Foundation)으로부터 자금도 확보했습니다.

2018년 연구실에서 받은 이 통합 자금을 통해 연구자들은 성게와 같은 유기체에 의해 형성된 천연 세라믹 세포 고체에 내장된 새로운 설계 원리를 탐구할 수 있게 되었습니다. 성게의 외골격은 세포성 고체 또는 "거품"의 한 유형입니다. 성게의 미세 구조는 단단한 가장자리나 면이 있는 열린 세포의 집합체로서 공간을 채우도록 함께 채워져 있기 때문에 소위 "거품"이라고 불립니다. 셀 사이의 틈은 셀을 다공성으로 만들어 조밀한 구조보다 기계적으로 더 효율적일 수 있는 재료를 만듭니다.

"이 연구에서 우리는 성게를 강하고 질기게 하면서 다공성 미세 구조로 무게를 줄이는 핵심 전략 중 일부를 발견했다고 생각합니다"라고 Li는 말했습니다. "이 Nature Communications 논문은 내부에 무엇이 숨겨져 있는지 발견한 결과를 보고합니다."

성게의 가시는 뻣뻣하고 강하며 가볍습니다. 이 가시는 합성 세라믹과 유사한 탄산칼슘이라는 깨지기 쉬운 광물로 만들어졌지만, 성게는 무게나 힘을 받을 때 손상에 대한 내성이 훨씬 더 높습니다. Li의 팀은 엔지니어링 세라믹이 견뎌야 하는 것과 동일한 종류의 조건을 시뮬레이션하면서 가시를 기계적으로 눌러 이 원리를 테스트했습니다. 현재의 합성 세라믹 세포 고체의 치명적인 실패와는 대조적으로, 성게 가시는 힘에 의해 우아하게 변형되었습니다. 이러한 "우아한 실패" 행동을 통해 성게 가시는 상당한 에너지 흡수 능력으로 손상을 견딜 수 있습니다.

이 연구 과정에서 Li 팀은 기계적 부하 중에 성게가 서로 결합할 수 있는 능력을 부여하는 몇 가지 비밀을 발견했습니다.

"성게 가시의 구조적 특징에는 몇 가지 비밀이 있습니다. 하나는 가지의 연결과 관련이 있습니다"라고 Li는 말했습니다. "둘째는 모공의 크기입니다."

현미경으로 Li의 팀은 상호 연결된 짧은 가지의 구조를 관찰했습니다. 노드 네트워크는 이러한 가지를 함께 유지하며 성게의 손상 내성에 대한 비밀 중 하나는 노드 수와 가지 사이의 균형입니다. 연결된 가지가 너무 많은 노드는 구조를 더 부서지기 쉽고 부서지기 쉽게 만들기 때문에 이 숫자는 매우 중요합니다. 성게 가시의 다공성 구조에 있는 노드는 평균 3개의 가지에 연결되어 있습니다. 이는 가지 네트워크가 더 치명적인 스트레칭으로 인한 골절 대신 굽힘으로 인한 골절을 겪게 된다는 것을 의미합니다.

두 번째 비밀은 가지 사이의 틈, 즉 기공의 크기에 있습니다. 연구팀은 성게 가시의 다공성 구조 내 틈이 가지 크기보다 약간 작다는 사실을 발견했습니다. 이는 가지가 부러지면 이러한 작은 구멍을 통해 즉시 제자리에 고정될 수 있음을 의미합니다. 부러진 가지가 기공 위에 서로 겹겹이 쌓여 여전히 하중을 견딜 수 있는 조밀한 영역을 만듭니다.