![[사이언스임팩트(24)]'충격파' 분산, 인체 피해 줄이고 재활용 가능한 신소재 등장](https://idailynews.news.fitplay.kr/media/remote?u=aHR0cHM6Ly9jZG4uaWRhaWx5bmV3cy5jby5rci9uZXdzL3RodW1ibmFpbC8yMDI0MTEvMTAzNjk5XzM1MDgwXzQxMjlfdjE1MC5qcGc&s=52a82def6a9db1e4a541b3a07a8f7839)
외부 충돌이나 폭발이 발생하면 흔히 ‘충격파’로 불리는 엄청난 응력파에너지가 빠르게 전달돼 사물이나 사람에게 심각한 피해를 준다.
폭발, 추락, 충돌, 추돌 등 단단한 물체 간의 빠른 접촉에 의해 발생하는 ‘고변형률 속도 응력 파동'(high-strain rate stress waves)이 사물이나 사람에 그대로 전달되기 때문이다.
과학자들은 이에 따라 충격 에너지를 빠르게 흡수하거나 분산시킴으로써 피해를 줄일 수 있는 특수 재료 개발을 위해 노력해왔다. 다만 지금까지 등장한 재료들은 반복·지속 사용에 한계가 따른다.
국내 학연 공동 연구팀이 건물, 자동차, 사람을 큰 폭발이나 고속 충돌 과정에서 발생하는 충격파로 인한 피해를 최소화할 수 있는 혁신적인 신소재를 개발했다.
부산대학교 고분자공학과 이재준 교수 연구팀과 한국과학기술연구원(KIST) 김태안 박사 연구팀은 충돌·폭발 시 외부의 큰 에너지를 흡수하면서도 스스로 수리할 수 있고 재활용까지 가능한 특수 고분자 소재 개발에 성공했다고 7일 밝혔다.
그간 국제적으로 외부로부터 유입된 충격파 에너지를 물리적 결합의 해리를 유도하는 데 사용하거나 구조가 무너질 수 있는 첨가제 등을 이용해 에너지를 감쇠시키는 재료들이 여러차례 보고됐지만, 반복성과 수명 측면에서 활용이 제한적이었다.
부산대·KIST 공동 연구진은 촉매에 의해 동적 공유 결합 교환 반응의 활성도를 조절함으로써 효과적인 고에너지 소산(消散), 즉 에너지를 흩어지거나 분산시키는 능력을 보유한 고분자 네트워크를 합성하는데 성공했다.
기존의 다른 동적 고분자 네트워크들과 달리 국내 연구팀이 개발한 신소재는 무수히 많은 동적 공유 결합을 내포한 상태에서 교환 반응의 활성화 정도에 따라 에너지 소산 능력이 달라진다. 이같은 기술개발이 공개된 것은 이번이 처음이다.
특히 기존에 보고된 고에너지 소산 재료들이 반복성에 한계가 많다는 것에 착안, 자가 치유 성능으로 이를 극복하고 화학적 재활용 방법을 통해 다시 단량체 및 가교제로 회수함으로써 재료의 지속가능성을 높였다.
연구팀은 이황화물 결합(disulfide group)을 포함하고 있는 자연 유래 물질인 알파-리포산(α-lipoic acid)을 기반으로 각기 다른 물성을 나타낼 수 있는 단량체 및 가교제들을 직접 합성함으로써 재활용이 가능하다고 설명했다.
여러 종류의 합성된 단량체들로 만들어진 단일중합체들을 비교해 측쇄(side chain, 고분자나 분자의 주사슬에서 갈라져 나오는 분자 그룹)의 길이 및 2차 결합의 존재 여부에 따라 재료의 점탄성 거동이 변화하며 달라지는 탄젠트델타(tanδ) 값이 고에너지 응력 파동의 소산과 상관관계가 있음을 밝혀낸 것이다.
tan δ는 손실탄성률(Loss modulus) 와 저장탄성률(Storage modulus)의 비율로 정의되며 에너지 저장 능력에 대한 에너지 소산 능력을 나타내어 재료의 감쇠 능력을 측정하는 지표다.
연구팀은 해당 단량체들과 가교제의 조합으로 만들어진 동적 탄성체가 촉매의 함량에 따라 고에너지 소산 능력이 50%에서 70%까지 증가할 수 있음을 보였고 기존 우수한 소산재로 보고된 PDMS, 폴리우레아와 비견될 만한 성능을 확인했다고 강조했다.
이번 연구는 고에너지 소산 능력을 효과적으로 나타내기 위한 동적 고분자 네트워크의 필요 조건들을 재료의 점탄성(粘彈性, 점성과 탄성을 동시에 갖는 성질) 거동과 연관 지어 상세히 기술한 첫 연구 성과란 점에서 의미가 크다는게 연구팀의 설명이다.
이재준 교수는 "자가 치유 능력 및 화학적 재활용성까지 갖춰 향후 고에너지 소산재로의 활용 가치가 넓을 것으로 기대한다"고 자평했다.
연구 성과는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry, RSC)의 저명한 재료 학술지인 ‘머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)’ 11월 7일 자 표지 논문으로 게재됐다.
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