수생 거미에서 영감을 받아 연구원들은 수개월 동안 건조함을 유지하고 박테리아 및 따개비와 같은 해양 생물의 부착에 대한 저항력이 높은 새로운 표면 물질을 만들었습니다. 그들은 표면 소재가 생산하기 쉽고 확장성이 뛰어나며 폭넓은 실용성을 갖고 있다고 말합니다.
자연에서 작동하는 것은 종종 인간에게도 작동합니다. 문제는 기존 도구를 사용하여 필요한 생체 영감 재료를 만드는 것입니다. 이는 때로는 말처럼 쉽지 않습니다.
이제 하버드의 SEAS(John Paulson School of Engineering and Applied Sciences)가 이끄는 연구원들이 바로 그 일을 해냈습니다. 수생 거미에서 영감을 받은 초소수성 금속 표면을 개발했습니다. 즉, 물을 밀어내고 몇 달 동안 물속에서 건조한 상태를 유지할 수 있습니다.
이번 연구의 공동저자 중 한 명인 Joanna Aizenberg는 다음과 같이 말했습니다. "생물 영감을 받은 재료 연구는 자연에서 진화한 우아한 솔루션을 인공 재료 영역에 계속해서 도입하여 전례 없는 특성을 지닌 새로운 재료를 도입할 수 있게 해주는 매우 흥미로운 분야입니다. 이 연구는 이러한 원리를 밝혀내는 것이 어떻게 수중에서 초소수성을 유지하는 표면의 개발로 이어질 수 있는지를 보여줍니다."
다이빙 벨 거미라고도 알려진 Argyroneta aquatica는 거의 전적으로 물 속에서 사는 것으로 알려진 유일한 거미입니다. 수백만 개의 거칠고 소수성 융모가 몸 주위에 공기를 가두어 산소 저장소를 만들고 거미의 폐와 물 사이에 장벽을 만듭니다. 거미의 털에 갇힌 얇은 공기층을 플라스트론이라고 합니다.
연구자들은 안정적인 수중 섀시를 만드는 것이 이론적으로 가능하다는 것을 수십 년 동안 알고 있었습니다. 그러나 실제로 다이빙 벨 거미처럼 거친 표면을 만들면 표면의 기계적 강도가 약해지고 온도와 압력의 작은 변화에도 취약해집니다. 이전 실험에서는 표면이 몇 시간 동안만 건조한 상태로 유지될 수 있었습니다.
연구자들은 습윤성이 분자 수준의 표면 특성에 매우 민감하며 표면 지형에 크게 영향을 받는다는 것을 알고 있습니다. 그래서 그들은 공기나 기포를 끌어당기고 배출하는 표면인 호기성 티타늄 표면을 만들고 전기화학적 산화를 이용해 산화물 층을 형성하는 동시에 형성된 산화물을 화학적으로 용해시켜 나노미터 규모의 거칠기를 생성했습니다.
표면의 안정성을 테스트하기 위해 연구자들은 표면을 구부리고 비틀고 뜨거운 물과 차가운 물을 뿌리고 모래와 강철 마모를 겪었으며 호기성 상태를 유지한다는 사실을 발견했습니다. 208일 이상 지속적으로 물에 담가두었고(연구 발표 당시에는 표면이 여전히 물에 잠겨 있어 열화의 흔적이 보이지 않음), 혈액을 채운 페트리 접시에 수백 번 담가 두었습니다. 표면은 대장균과 따개비의 성장을 현저히 감소시키고 홍합의 부착을 완전히 방지합니다.
이번 연구의 제1저자인 알렉산더 테슬러(Alexander Tesler)는 "우리는 표면이 안정적이라는 것을 보여주기 위해 20년 전에 이론가들이 제안한 특성화 방법을 사용했습니다. 이는 우리가 극도로 반발력이 뛰어나고 내구성이 뛰어난 초소수성 표면의 새로운 유형을 만들었을 뿐만 아니라 다른 재료를 사용해 다시 할 수 있다는 것을 의미합니다."라고 말했습니다.
연구원들은 표면이 다양한 용도로 사용된다고 말합니다. 이는 수술 후 감염을 줄이거나 수중 파이프 및 센서의 부식을 방지하기 위해 생의학 장비에 사용될 수 있습니다. 또한 활막액 주입 다공성 표면 기술(SLIPS)이라고 불리는 SEAS 팀이 10년 전에 개발한 또 다른 생체 영감 소재와 함께 사용할 수도 있습니다.
이번 연구의 공동 저자인 Stefan Kolle은 "이 시스템의 안정성, 단순성 및 확장성은 실제 응용 분야에서 매우 가치가 있습니다. 여기에 제시된 특성화 방법을 통해 우리는 안정성을 위해 초소수성 표면을 최적화할 수 있는 간단한 툴킷을 보여 주며 이는 응용 분야 공간을 크게 변화시킵니다."라고 말했습니다.
이 연구는 Nature Materials 저널에 게재되었으며 아래 SEAS에서 제작한 두 개의 비디오는 새로운 표면이 물과 혈액을 밀어내는 방법을 보여줍니다.