슈퍼히어로 물질 개발 ···자기 무게 1,000배 들어올려

자체 무게의 1천배나 되는 물질을 들어올리는 슈퍼맨같은 괴력을 지닌 형상기억 폴리머재료가 개발됐다.

로체스터대 뉴스센터는 9일(현지시간) 이 대학의 미치 안타매튼 화공과교수팀이 영화에서나 있을 법한 괴력을 보이는 형상기억 폴리머 재료를 개발했다고 보도했다. 이 형상기억 재료는 안타매튼교수와 이 대학 유안 멩 대학원생이 함께 개발했다.

안타매튼교수는 이 형상기억 폴리머물질이 1그램(g)밖에 안되는 구두끈 크기의 폴리머로 1리터(1kg)소다를 들어올릴 수 있었다고 밝혔다.

실제로 이 대학의 실험내용동영상은 이 끝이 원래 형상으로 돌아가면서 장난감 트럭을 끌어올리는 모습, 도르레처럼 사용된 폴리머가 물체를 들어올리는 응용모습을 보여준다.

로체스터대 연구진이 개발한 형상기억폴리머가 수축되면서 장난감 자동차를 끌어당기고 있다. 사진=로체스터대 유튜브
로체스터대 연구진이 개발한 형상기억폴리머가 수축되면서 장난감 자동차를 끌어당기고 있다. 사진=로체스터대 유튜브

이 폴리머는 열을 받아 원래 형상으로 되돌아 갈 때까지 일시적으로 새로운 형태를 유지할 수 있도록 프로그래밍됐다.

안타매튼 교수는 “작동 온도는 이 이야기의 시작에 불과하다. 우리는 이 물질이 엄청난 탄성에너지를 가지도록 만들었고 이들이 형상을 살려 낼 때 훨씬더 기계적인 역할을 할 수 있도록 만들었다”고 말했다.

미국 로체스터대 연구팀이 자기 무게의 1,000배 무게를 들어올리는 형상기억폴리머 소재를 개발했다. 슬로모션으로 본 손 끝에 올려진 형상기억 폴리머재료. 체온에 노출된 후 형상을 바꾸었다. 사진=로체스터대 뉴스센터
미국 로체스터대 연구팀이 자기 무게의 1,000배 무게를 들어올리는 형상기억폴리머 소재를 개발했다. 슬로모션으로 본 손 끝에 올려진 형상기억 폴리머재료. 체온에 노출된 후 형상을 바꾸었다. 사진=로체스터대 뉴스센터

슈퍼파워를 가진 이 폴리머개발의 핵심은 재료가 차가워지거나 펼쳐질 때 어떻게 폴리머재질의 결정화(crystallization)를 제어하는지를 알아내는데 있었다.

재료가 변형됨에 따라 폴리머 체인은 국지적으로 늘어나게 된다. 그리고 작은 폴리머 조각은 결정입자(crystallites)로 불리는 작은 영역과 같은 방향으로 배열된다. 이는 재료를 일시적으로 변형된 형태로 고정시켜 주게 한다. 결정입자의 숫자가 늘어남에 따라 폴리머형태는 더욱더 단단하게 안정화된다. 이는 점점더 이 재료가 원래의 성질로 돌아가기 힘들게 만든다.

온도조절을 통한 폴리머 제어는 분자끈(molecular linkers)을 분자개별 폴리머 띠에 연결시킴으로써 가능해졌다.

로체스터대 연구진이 만든 폴리머가 수축되면서 물건을 들어올리는 모습. 사진=로체스터대유튜브
로체스터대 연구진이 만든 폴리머가 수축되면서 물건을 들어올리는 모습. 사진=로체스터대유튜브

안타매튼교수연구진은 이 재료를 당길 때 분자끈이 결정화를 방해받기는 하지만 결정화를 멈추게 하지는 않는다는 것을 알아냈다. 연구팀은 이 분자끈의 수와 형태, 그리고 이를 폴리머망에 배치하는 방법을 바꿔줌으로써 폴리머재료의 안정성을 확보하고 이 물질이 형상을 변화시키는 정확한 융점을 설정할 수 있었다.

이렇게 만들어진 새로운 폴리머를 가열해 온도를 체온보다 약간 낮은 35°C까지 올리자 결정입자들이 분리됐고 폴리머는 원래 형상으로 돌아왔다.

안타매튼 교수는 “우리의 형상기억 폴리머는 늘어나면 새로운 형태를 보여주는 고무줄 밴드와 같다. 하지만 단순한 (체온)터치만으로도 원래 형태로 되돌아 간다”고 말했다. 연구진의 목표는 이제 이 폴리머를 제어할 수 있는 정확한 온도를 확보하는 데 있다. 연구진은 이와함께 이 재료가 원래의 형상으로 되돌아갈 때 엄청난 기계적 작용을 할 수 있기를 기대하고 있다.

연구진은 이번 발견에 이어 자신들의 폴리머로 된 망이 가능한 한 많은 탄성에너지를 축적하도록 최적화하는 실험을 시작했다.

안타매튼 교수는 “거의 모든 형상기업폴리머 응용제품은 그 재료주변에서 밀리고 당겨지게 될 것입니다. 하지만 연구진은 이 형상기업 폴리머재료가 실제로 수행하고 있는 기계적 일의 양을 거의 측정하지 않습니다”라고 말했다.

안타매튼 교수는 이 형상기억 폴리머는 구조물,인공피부,스스로 사이즈를 맞추는 옷 등 다양한 분야에서 응용될 것이라고 말했다.

이 연구 성과는 이번 주 폴리머사이언스저널에 실렸다.
아래 동영상은 실내온도에서 크게 줄어들어 원래 형태로 바뀌면서 장난감 자동차를 끌어 올리고, 물체를 들어올리는 이 신기한 형상기억 폴리머재료의 놀라운 변형 모습을 보여준다.


이재구 전자신문인터넷 국제과학전문기자 jklee@etnews.com