Michael Demkowitz 박사는 금속의 자가 치유 현상을 예측한 적이 있습니다. 이 현상은 올 여름 마침내 관찰되어 전 세계 과학자들을 놀라게 했습니다. 작은 백금 조각을 반복해서 잡아당기면 작은 균열이 생겼습니다. 피로 균열 성장을 연구하기 위해 고안된 실험은 한동안 계획대로 진행되었습니다. 그런데 예상치 못한 일이 일어났습니다. 균열은 성장을 멈추고 짧아지기 시작하여 효과적으로 "스스로 치유"되었습니다.


샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories)가 발견한 나노 크기의 자가 치유 금속을 예술적으로 표현한 그림에는 균열이 생겼다가 다시 합쳐지는 녹색 표시가 있습니다. 빨간색 화살표는 실수로 이 현상을 유발한 당기는 방향을 나타냅니다. 출처: Dan Thompson, Sandia National Laboratories

Sandia National Laboratories의 연구진은 나노결정질 금속에 대한 파괴 실험을 수행하는 동안 이 놀라운 현상을 발견했습니다. 이번 연구 결과는 최근 네이처 저널에 게재됐다.

이 발견 이전에는 자가 치유 금속이 SF 소설에만 등장할 수 있다고 생각하는 것이 합리적이었습니다. 최근 연구의 공동 저자이자 텍사스 A&M 대학교 재료공학과 교수인 마이클 뎀코윅즈(Michael Demkowicz) 박사는 그렇게 생각하지 않습니다.

Demkowicz와 그의 학생들은 10년 전 그가 MIT 재료공학과 조교수로 있을 때 금속의 자가 치유 특성을 예측했습니다.

"우리의 출발점은 자가 치유를 찾는 것이 아니었습니다. 당시 제 학생인 GuoxiangXu가 골절 시뮬레이션을 하고 있었습니다"라고 Demkowicz는 말했습니다. "우리는 우연히 그의 시뮬레이션 중 하나에서 자발적인 치유를 관찰했고 후속 조치를 취하기로 결정했습니다."

그때도 지금처럼 2013년 결과는 놀라웠다. Demkowicz는 자신과 그의 학생, 동료들이 원래 이론에 다소 회의적이라고 덧붙였습니다. 그러나 그의 시뮬레이션 모델은 이후 몇 년 동안 다른 연구자들에 의해 여러 번 복제되고 확장되었습니다.

Demkowicz는 "다른 사람들도 모델링 노력에서 동일한 효과를 보았기 때문에 시뮬레이션에 아무런 문제가 없다는 것이 분명했습니다."라고 말했습니다.

2013년 모델과 최근 실험 모두 나노미터 규모(밀리미터의 백만 분의 1)로 측정된 결정 구조 또는 입자 크기를 갖는 나노결정질 금속을 사용했습니다. Demkowicz는 금속이 엔지니어링 응용 분야에 널리 사용되지는 않지만 대부분의 금속은 이러한 형태로 제조될 수 있다고 말했습니다.

그는 또한 나노결정질 금속의 작은 입자 크기가 작은 균열도 상호작용할 수 있는 더 많은 미세구조적 특징을 생성할 수 있기 때문에 자가치유 연구를 더 쉽게 만든다고 설명했습니다.

두 연구 모두 결정립계가 균열에 대한 결정립계의 이동 방향에 따라 균열 치유에 영향을 미치는 특징이라는 것을 발견했습니다. Demkowicz는 이러한 특성이 많은 금속과 합금에서 공통적으로 나타나며 제어할 수 있다고 덧붙였습니다.

Demkowicz는 "현재 연구의 주요 영향은 원래의 이론적 예측을 '기초에서 벗어나' 현실에서 일어나는 것을 보여주는 것"이라고 말했습니다. "우리는 아직 자가 치유 미세구조를 최적화하기 위한 작업을 시작하지 않았습니다. 자가 치유를 촉진하기 위한 최선의 변화를 찾아내는 것은 향후 연구에서 어려운 과제입니다."

이 작업의 잠재적인 적용은 매우 다양할 수 있습니다. Demkowicz는 입자 크기가 더 큰 전통적인 금속에서도 자가 치유가 가능하다고 믿고 있지만 향후 연구가 필요합니다.

2013년 이론과 최근 실험은 이물질이 전혀 없는 진공 환경에서 진행됐다는 공통점이 있다. 이러한 이물질은 균열된 표면의 접합 또는 냉간 용접 성능을 방해할 수 있습니다. 이러한 제한에도 불구하고 항공우주 기술이나 외부 공기에 노출되지 않는 내부 균열에 응용할 수 있는 가능성이 있습니다.

10년 간의 연구 끝에 Demkowicz의 이론은 Sandia National Laboratories의 실험에서 결실을 맺었습니다. 현재 연구에서 Demkowicz는 최근 관찰된 현상이 원래 시뮬레이션 모델과 일치하는지 확인할 수 있었습니다.

"이것은 훌륭한 실험입니다. 그러나 나는 이것이 또한 훌륭한 이론적 승리라고 생각합니다"라고 Demkowicz는 말했습니다. "재료의 복잡성으로 인해 새로운 현상을 확실하게 예측하기가 어려운 경우가 많습니다. 이번 발견은 재료 거동에 대한 이론적 모델이 올바른 방향으로 가고 있다는 희망을 줍니다."