화학 거미줄 구조를 모방한 초강력 섬유 개발

2015.06.09 20:37

거미줄 구조를 모방한 초강력 섬유 개발 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015060072&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-06-08

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캐나다 몬트리올기술대(Polytechnique Montréal)의 Frederick Gosselin 및 Daniel Therriault 교수와 석사과정생인 Renaud Passieux는 스파이더맨과 아무 연관이 없다. 그럼에도 불구하고 이 몬트리올과학기술대의 연구자들은 거미줄에 의해 영감을 받아 제작된 매우 강한 고분자 섬유를 만들어낼 수 있었다. 이들의 연구 결과는 최근 Advanced Materials지에 게재되었다. 지름은 3~8마이크론 정도지만 강철이나 케블라(Kevlar)에 비해 5~10배 가량 더 강한 거미줄은 뛰어난 탄성과 인장강도를 가지고 있기 때문에, 많은 연구자들이 이를 대체하거나 모방할 수 있는 재료를 만들기 위해 노력해왔다.

일반적으로 거미줄이 지닌 강도는 이들을 이루고 있는 단백질 분자 사슬의 특이적인 구조에 기반한다. 이들이 지닌 기계적인 힘의 원천은 많은 연구자들의 연구 대상이었으며 몬트리올 과학기술대 기계공학과의 연구자들도 이러한 특성에 매료되어 이들에 대한 연구를 수행했다. 이에 대해 이번 연구를 수행한 Gosselin 교수는 "실크 단백질들은 스프링처럼 꼬여있다. 이 스프링의 각각의 루프들은 주변의 다른 스프링들에 결합되어 있어 주된 분자 구조 사슬이 찢어지기까지는 화학적 연결 상태를 지속한다. 이를 늘려서 그 단백질을 깨기 위해서는 각각의 스프링을 풀고 연결되어 있는 결합을 하나씩 뜯어야 하며 이러한 과정에는 많은 에너지를 필요로 한다"고 말했다.

연구자들은 거미줄의 강도와 특성을 지닌 미세구조의 섬유를 만들고자 했다. 이에 대해 Renaud Passieux는 "이러한 과정에는 일정한 속도로 움직이는 레이어에 점성을 지닌 필라멘트 고분자 용액을 붓는 과정이 포함되어 있다. 이를 통해 우리는 불안정성(instability)을 만들어냈다. 이 필라멘트는 마치 토스트에 꿀을 부을 때 만들어지는 실 가닥과 유사한 루프를 만들어낸다. 그 용액이 흐르는 방법에 의해 결정되는 불안정성에 기반해 섬유는 특정한 기하학적 구조를 지니게 된다. 이는 주기적이며 우리는 이를 "불안정성 패턴(instability pattern)"이라고 불렀다"고 말했다.

용매가 증발할 때 섬유는 고체화된다. 몇몇 안정성 패턴은 필라멘트가 루프를 만들고 결합을 형성할 때 일종의 희생결합(sacrificial bond)을 만드는 특징을 지니고 있다. 그 시점에서 그 결합을 깨고 섬유를 만들어내기 위해 많은 에너지가 소모되고 마치 단백질 기반의 거미섬유처럼 움직이게 되는 것이다. 이에 대해 Therriault 교수는 "이번 프로젝트는 루프의 기하학적 구조를 만들어내는데 영향을 주는 물질을 만드는데 이용되는 안정성이 어떻게 섬유의 기계적인 속성에 영향을 주는지를 이해하는데 그 목적이 있다. 우리의 도전은 여기에 그치지 않고 이를 통해 유체역학(fluid mechanics), 미세가공기술(microfabrication), 재료의 강도 및 고분자 유변학(polymer rheology) 등에 다양한 개념을 제시하고자 한다"고 말했다.

이들 연구자들은 언젠가는 현재 개발하고 있는 섬유를 함께 강하게 결합하는데 이용할 수 있는 복합체를 만들 수 있을 것이라고 생각하고 있다. 그러한 복합체들은, 예를 들어, 보다 안전하고 가벼운 항공기 엔진이나 폭발을 피할 수 있는 분해물을 만드는데 이용될 수 있을 것이라고 믿고 있다. 이 이외에도 외과적 수술 기구에서부터 방탄조끼에 이르기까지 많은 부분에서 응용이 가능할 것으로 보인다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 “Advanced Materials, onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201500603/epdf”를 참고하기 바란다.
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그림: 거미줄의 구조

[출처] http://phys.org/news/2015-06-ultra-tough-fiber-imitates-spider-silk.html

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