요약:
제2차 세계대전 중에 연합군은 얼음과 목재 펄프를 혼합한 Pykrete라는 복합 재료를 사용하여 거대한 폭발 방지 얼음 항공모함을 만드는 기발한 아이디어를 제안했습니다. 이제 이러한 역사적 가정에 영감을 받아 과학 연구자들은 현대 나노 기술과 바이오 기반 복합 구조를 통해 성능이 질적으로 도약한 "슈퍼 아이스"라는 새로운 엔지니어링 건축 자재를 성공적으로 개발했습니다. 일반 얼음보다 압축강도가 10배 정도 높으며, 쉽게 부서지는 기존 얼음의 치명적인 약점을 완벽하게 극복했습니다.
극한의 추운 지역에서 매우 풍부하고 값싼 천연 자원인 얼음은 높은 취약성으로 인해 오랫동안 안정적인 하중을 지탱하는 구조 재료로 사용하기가 어려웠습니다. 보통의 순수한 얼음은 일정한 경도를 갖고 있지만, 충격을 받거나 불균일한 힘을 가하면 내부의 작은 균열이 매우 빠른 속도로 퍼져나가 전체 구조물이 예고도 없이 한 순간에 파국적으로 산산조각이 나게 됩니다. 파커라이트는 제2차 세계대전 중 섬유가 균열 전파를 방지할 수 있다는 사실을 입증했지만, 당시 기술 조건으로 인해 섬유의 미세한 결합 강도와 물리적 특성은 여전히 열악했습니다.
이러한 재료 역학 병목 현상을 완전히 극복하기 위해 과학 연구팀은 분자 및 나노 규모에서 시작하여 식물 셀룰로오스(예: 나노셀룰로오스 결정)와 특수 단백질 분자를 정확한 비율로 물에 통합하여 동결 및 결정화했습니다. 물 분자의 동결 과정에서 이러한 고도로 분산된 생물학적 나노섬유는 얼음 결정 입자 사이에 산재하고 얽혀 조밀한 3차원 강화 네트워크를 형성합니다. 동시에, 단백질 분자는 계면에서 강력한 분자간 접착을 제공하여 얼음 결정 내부의 미세 균열이 지속적으로 침투하고 제어되지 않는 확장을 효과적으로 방지합니다.
기계적 테스트 데이터에 따르면 이 새로운 유형의 '슈퍼 얼음'의 압축 한계는 일반 얼음의 약 10배이며 이는 일부 엔지니어링 등급 시멘트 모르타르의 기계적 지지력과 비슷합니다. 훨씬 더 획기적인 것은 인성입니다. 실험에 따르면 이 소재는 완전히 부서지고 파괴되기 전에 일반 얼음보다 70배 더 높은 기계적 충격 에너지를 흡수할 수 있는 것으로 확인되었습니다. 심한 타격으로 표면이 손상되더라도 그 내부에 얽힌 나노섬유는 매트릭스를 "고정"하여 견고한 복합 재료와 유사한 점진적인 변형 특성을 나타내며 전통적인 얼음 분해 및 분쇄의 취약한 특성에 완전히 작별을 고합니다.
우수한 물리적, 기계적 강도 외에도 이 소재는 순수한 생분해성, 탄소 배출 제로, 지역 소재 등 친환경 특성도 갖고 있습니다. 연구원들은 이 새로운 유형의 강력한 강화 얼음이 극지 과학 연구 기지의 기반 시설 건설, 고산 영구 동토층의 임시 엔지니어링 건설, 극지 저온 체인 및 저장 및 운송 보호, 심지어 미래 달이나 화성의 극지 수빙 자원의 현장 엔지니어링 활용을 위한 매력적이고 저렴한 구조 재료 도구 상자를 제공한다고 지적했습니다.
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