< (왼쪽부터) 신소재공학과 강성훈 교수, 존스홉킨스대학 Bohan Sun 박사과정, 존스홉킨스대학 Grant Kitchen 박사과정, 조지아공과대학 Yuhang Hu 교수, 조지아공과대학 Dongjung He 박사과정 >
아파트 건물, 차량 등을 구성한 재료는 반복 하중을 받으면 시간이 지남에 따라 성능이 저하되어 고장과 파괴가 발생한다. 한미 공동연구진이 뼈에 하중이 가해지면 내부의 피로부터 미네랄이 합성되어 골밀도를 증가시키는 원리에서 영감을 얻은 생체모방기술을 이용하여 사용할수록 단단해지는 신소재를 개발하는데 성공했다.
우리 대학 신소재공학과 강성훈 교수 연구팀이 존스홉킨스 대학, 조지아 공과대학과 공동연구를 통해 뼈가 운동을 하면 더 강해지는 것과 같이 반복적으로 사용할수록 더욱 강해지는 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다.
강성훈 교수 연구팀은 기존의 재료가 반복적으로 사용할수록 성능이 저하되는 문제를 해결하고자 뼈가 운동과 같이 응력이 가해졌을 때 세포의 작용에 의해 미네랄을 형성해서 더욱 강해지는 특성에서 영감을 받아, 세포의 작용에 의존하지 않고도 응력을 가하면 스스로 미네랄을 합성해 더욱 강해져 다양한 응용 분야에서 사용이 가능할 것으로 기대되는 신소재를 개발했다.
연구팀은 세포의 작용을 대체하기 위해서 힘을 많이 가할수록 더 많은 전하를 생성하는 다공성 압전(힘을 전기로 변환하는 작용) 바탕재를 만든 후 그 안에 피와 유사한 미네랄 성분을 갖는 전해질을 넣은 복합재료를 합성했다.
< 그림 1. 이번 연구의 바탕이 된 뼈와 벌레잡이 식물에서 영감을 받은 생체 모방 개념, 가역적 강화 메커니즘, 다공성 복합재를 제작하는 공정, 반복 하중 후 강성과 에너지 소산이 증가하는 기계적 특성 변화, 그리고 재 프로그래밍할 수 있는 자가 접힘 메커니즘 및 응용 사례의 개략도 >
그리고 이 재료에 주기적인 힘을 가한 후 재료의 물성 변화를 측정한 결과, 응력의 빈도와 크기에 비례해서 재료의 강성이 향상되고 아울러 에너지 소산 능력도 향상되는 결과를 보였다.
이러한 특성을 갖는 이유는 미네랄이 반복적인 응력에 의해 다공성 재료 내부에 형성되고 커다란 힘이 가해졌을 때는 파괴되면서 에너지를 소산시키고 다시 반복적인 응력을 가하면 미네랄이 다시 형성되기 때문임을 마이크로 CT를 이용한 내부 구조 촬영을 통해 밝혀냈다.
이는 기존의 재료들이 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 감소되는 것과 달리 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 동시에 향상되는 특성을 보여 주었다.
< 그림 2. 반복 하중 시 이번에 개발된 신소재 (LIPPS)와 다른 재료의 특성 변화 비교. (A) 반복 하중 후 에너지 소산의 상대적 변화 비율과 하중 제거 시 탄성 계수의 상대적 변화율을 나타낸 그래프. LIPPS는 기존 재료가 도달하지 못한 새로운 영역에 위치하며, 탄성 계수와 에너지 소산이 동시에 증가하는 특성을 보인다. (B) 현재 최첨단 기계적 적응형(materially adaptive) 재료와 LIPPS의 성능을 비교한 그래프. (왼쪽) 반복 하중 후 기존 값과 비교한 최대 특성 변화율을 나타내며, LIPPS는 기존 적응형 재료보다 탄성 계수, 소산된 에너지 밀도 및 비율, 인성(충격 저항성), 저장된 에너지 밀도에서 훨씬 높은 변화율을 보인다. (오른쪽) 반복 하중 전후 보고된 특성의 절대값 범위를 나타내며, LIPPS가 기존 적응형 재료보다 더 높은 탄성 계수와 인성을 갖고 있음을 보여준다. >
또한 이 재료는 가해지는 응력의 크기와 빈도에 비례해서 특성이 향상되기에 구조물의 용도에 적합한 기계적 물성 분포를 갖도록 자가 조정이 가능하며 자가 치유 능력을 갖고 있다.
강성훈 교수는 “이번 연구를 통해서 개발된 신소재는 기존 재료에 비해 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수가 잘되는 특성을 가지게 되므로 인공 관절 뿐만 아니라, 항공기, 선박, 자동차, 구조물 등 다양한 분야에 원리가 응용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.
강성훈 교수가 교신저자로 발표한 이번 연구는 국제 학술지 `사이언스 어드밴시즈(Science Advances)' 2월 11권 6호에 출판됐다. (논문명 : A material dynamically enhancing both load-bearing and energy-dissipation capability under cyclic loading)
한편 이번 연구는 한국연구재단 해외우수과학자유치사업 (Brain Pool Plus)의 지원을 받아 존스홉킨스대학 극한재료연구소와 조지아 공과대학과 공동연구로 수행됐다.
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연구 금이 간 뼈에 ‘뼈 반창고’ 신소재 개발
뼈 재생은 복잡하며 기존의 골 이식 및 성장 인자 전달 등과 같은 재생을 할 경우 높은 단가 발생 등의 한계가 있었는데 뼈조직의 성장을 촉진하기 위한 압전 물질이 개발되었다. 우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 전남대학교 융합바이오시스템기계공학과 김장호 교수 연구팀과 협업을 통해 하이드록시아파타이트(HAp)의 고유한 골 형성 능력을 활용하여 압력을 가했을 때 전기적 신호가 발생하는 생체 모방 지지체를 개발했다고 25일 밝혔다. 하이드록시아파타이트(HAp)란 뼈나 치아에서 발견되는 염기성 인산칼슘으로 생체 친화적인 특징이 있으며, 충치를 예방하는 특성이 있어 치약에도 쓰이는 미네랄 물질이다. 이전의 압전 지지체 관련 연구들은 압전성이 뼈 재생을 촉진하고 골 융합을 향상하는 효과를 다양한 고분자 기반 소재에서 확인했지만, 최적의 골조직 재생에 필요한 복잡한 세포 환경을 모사하는 데 한계가 있었다. 그러나 이번 연구는 하이드록시아파타이트(HAp) 고유의 골 형성 능
2024-01-25 -
연구 K-약용식물에서 세 단계만에 분자연금술 뚝딱
K-약용식물 추출물에서 단 세 단계 만에 퇴행성 신경질환 등 난치성 신경질환 치료제로 개발가능한 물질인 ‘수프라니딘 B’를 합성하는 ‘분자 연금술’에 성공하여 화제다. 우리 대학 화학과 한순규 교수 연구팀이 국내 자생 ‘광대싸리’에 극미량 존재하는 고부가가치 천연물을 생체모방 전략을 통해 쉽게 얻을 수 있는 물질로부터 간단하게 합성하는 방법을 개발했다고 1일 밝혔다. `세큐리네가 알칼로이드'는 국내 자생 약용식물인 ‘광대싸리’에서 발견되는 천연물 군으로, 항암 및 신경돌기 성장 촉진 등 다양한 약리 활성을 보여 수십 년간 합성화학계의 관심을 받아왔다. 이들 물질 군에는 기본 골격으로부터 산화되거나 사슬처럼 연결된 형태를 갖는 100여 종의 초복잡 천연물들이 존재하는데, 상대적으로 간단한 기본 골격체의 합성은 잘 정립되어 있었던 반면, 초복잡 화합물의 합성은 난제로 남아 있었다. 그
2023-12-01 -
연구 인공장기 생체 단백질 모방 금속 필름 개발
오랜 기간에 걸쳐 생체 구조체를 형틀로 삼아 다양한 무기물을 증착 및 성장시킴으로써 생체 모방 재료를 합성하는 연구들이 이루어져 왔는데, 이를 생체 형틀법이라고 한다. 이런 생체 형틀법은 생체에 있는 특정 구조체에 사용되어 오랜 시간 동안 에너지, 광학, 마이크로로봇, 의료 분야 등에 응용되어 왔다. 특히 생체 구조체를 사용하고 모방했다는 점에서 인체 내 활용이 용이하여 인공장기나 상처 치유 분야로 많이 연구되었다. 우리 대학 신소재공학과 장재범, 김일두 교수 연구팀이 생체 형틀법을 이용해 세포외 기질을 구성하는 여러 단백질 중 원하는 특정 단백질만을 선택해 해당 단백질 구조체를 모방한 금속 필름을 합성하고 전기 전달 특성을 확인하는 것에 성공했다고 16일 밝혔다. 세포외 기질이란 세포 밖에 존재하며 세포의 분화, 성장, 이동에 중요한 역할을 수행할 뿐만 아니라 생체 조직과 기관(organ)의 구조적·기계적 특성 유지에 필수적인 생체 구조물이다. 이러한 세포
2023-11-17 -
연구 지하 공간 탐사를 위한 생체모방형 두더지 로봇 개발
우리 대학 전기및전자공학부 명현 교수 연구팀(미래도시 로봇연구실)이 일명 두더지 로봇인 `몰봇(Mole-bot)'을 개발했다. 이는 두더지의 생물학적 구조와 굴착 습성을 모방해 무인 지하 탐사나 극한지역 또는 우주행성 탐사에 효율적으로 활용가능한 생체모방형 로봇이다. 몰봇은 석유, 석탄 등 기존 에너지원을 대체해 신 에너지원으로 사용 가능한 탄층 메탄가스(Coalbed Methane)나 전자기기에 이용되는 희토류 등이 매설된 지역의 탐사, 더 나아가 우주 행성의 표본 채취를 목표로 연구팀에 의해 개발됐다. 기존 천부 굴착작업은 시추기와 파이프라인, 펌프 등 각종 장비를 조합해 작업을 진행해야 하지만 이제 `몰봇' 로봇 하나면 모든 작업을 원활히 수행할 수 있다. 이를 임베디드 방식이라고 표현하는데, 특히 `몰봇' 개발을 계기로 기존의 거대하고 복잡한 드릴링 장비 사용과 이로 인한 복잡한 공정, 환경 오염 유발 등 많은 문제점이 해결될 것으로 기대된다. 몰봇은 크게 드릴링부,
2020-06-05 -
행사 2018 바이오 디지털 시티 워크숍 참가
우리 대학 건설및환경공학과 장성주 교수가 인솔하고 문화기술대학원 이지현 교수가 공동으로 참여한 연구팀이 지난 7월 10일부터 7월 20일까지 프랑스 파리에서 열린 ‘2018 바이오 디지털 시티 워크숍’에 참가했다. 파리 라 빌레트 과학산업관(La Cite des Sciences et de L'lndustrie)이 주최하는 ‘바이오 디지털 워크숍’은 스마트 시티를 포함한 미래 도시에 대한 비전을 추구하는 국제 워크숍으로 지난 2012년부터 매년 행사를 개최해왔다. ‘Biomimicry(생체모방), 디지털 도시 및 빅 데이터’를 주제로 열린 이번 워크숍에는 건설및환경공학과 조형민(박사과정), 정민우, 차승환, 박상준(학부과정), 신소재공학과 서경근(학부과정), 산업및시스템공학과 정지환(석사과정), 문화기술 대학원 장보윤(박사과정) 학생이 참가했다. 디자인/과학 복수전공, 시각 디자인, 지리학, 컴퓨터 사이언
2018-08-01