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<;캡틴 아메리카>;의 방패는 실제로는 존재하지 않는 가상의 금속인 비브라늄으로 만들어져, 적의 어떤 공격에 대해서도 운동에너지를 흡수해 충격을 차단해. 이런 무적의 방패를 현실에서도 볼 수 있을까? 과학자들은 강도를 자유로이 조절해주는 메타물질에서 해법을 찾고 있어!

나노 구조를 접었다 폈다

지난 12월, 미국 하버드대학교 의과대학 지 첸 교수는 물질의 구조를 실시간으로 바꾸며 강도를 자유롭게 조절하고, 가해지는 충격량도 조절할 수 있는 기계적 메타물질을 공개했어요.

기계적 메타물질은 자연에는 없는 독특한 구조를 만들어 물리적인 압력을 견딜 수 있는 물질입니다. 스펀지를 누르면 양옆이 부풀어오르며 압축되는 모습처럼, 일반적인 고체는 힘을 받으면 그 방향으로 수축합니다. 하지만 기계적 메타물질은 압축되어도 되레 부피가 커지거나 같은 소재를 이용해도 부분에 따라 강도가 달라지는 등 자연에선 관찰할 수 없는 특징을 지녔어요. 기계적 메타물질은 이런 성질을 이용해 압력이나 충격도 흡수하거나 흘려보낼 수 있죠.

연구팀은 3D 프린터로 ‘맥스웰 격자’라는 구조를 만들었어요. 구조의 형태를 변화시켜 가장자리와 중간 부분의 강도를 자유롭게 조절할 수 있는 메타 구조를 맥스웰 격자라고 합니다. 연구팀이 만든 격자는 삼각형 두 개가 맞물린 메타 구조인데, 스프링으로 이어져 있어 종이접기하듯 접었다 펼 수 있습니다. 

연구팀이 구조를 바꾸며 강도를 측정해 본 결과, 접힌 구조는 펴진 구조에 비해 강도가 최대 100배 이상 컸어요. 충격으로 가해진 힘은 10배 이상 잘 견뎠지요. 또한 한 물체 내에서도 접힌 구조와 펼친 구조를 섞어서 구성할 수 있기 때문에 가장자리는 강도가 높게, 중앙 부분은 유연하게 설정하는 것도 가능했습니다. 지 첸 교수는 “자연계에 없는 강도를 가지거나 충격을 흡수하는 특징이 있는 메타물질로 의료 기기, 우주나 심해 등 극한의 상황에서 쓸 수 있는 신소재를 만들 수 있을 것”이라고 예측했어요.