콜로라도 대학교 볼더(University of Colorado Boulder)의 엔지니어링 팀은 최근 공상 과학 느낌을 지닌 새로운 유형의 물질, 즉 "단단한 전체"와 "느슨한 유체" 사이를 자유롭게 전환할 수 있는 특별한 모양의 작은 입자로 구성된 얽힌 입자 시스템을 시연했습니다. 연구원들은 한 쌍의 일반적인 사무용품에서 영감을 얻었습니다. 많은 수의 스테이플이 공에 얽혀 있으면 당길 때 전체적으로 외력에 저항합니다. 그러나 특정 방식으로 진동하거나 흔들면 빠르게 느슨해지고 붕괴되어 분리된 금속 스트립 더미가 됩니다.
이 현상으로 인해 연구자들은 재료 설계 접근 방식을 재고하게 되었습니다. 즉, 전통적인 모놀리식 고체나 화학적 결합을 사용하는 대신 기하학적 모양에서 시작하여 서로 "연결"될 수 있는 다수의 작은 입자를 사용하여 물리적 얽힘을 통해 전체 구조를 구축하는 동시에 필요할 때 빠르게 분해할 수 있습니다. "우리는 수년 동안 구성과 기하학을 가지고 놀아왔지만 최근에야 서로 맞물리고 얽힌 입자를 진지하게 연구하기 시작했습니다."라고 프로젝트 리더이자 첨단 재료 및 바이오 영감 연구소 소장인 Francois Barthelat 교수가 말했습니다. "이 시스템은 매우 독특한 성능 조합을 보여줄 수 있으며, 우리는 이것이 공학적 상상력을 발휘할 여지가 많다고 믿습니다."
Journal of Applied Physics에 발표된 연구에서는 이 현상을 "얽힘", 즉 입자가 서로 얽혀 구조적 연결을 형성하는 과정이라고 부릅니다. 비슷한 원리가 자연에도 잘 알려져 있습니다. 새 둥지는 가지와 섬유질이 서로 엮여 강도를 얻고, 뼈는 기계적 특성의 균형을 이루기 위해 단단한 광물과 부드러운 단백질의 결합에 의존합니다. 공학적 과제는 인공 재료에서 이러한 "연동" 효과를 제어 가능한 방식으로 재현하는 데 있습니다.
Barthelat 팀은 핵심이 입자의 기하학적 구조에 있다고 믿습니다. “모래를 예로 들어보겠습니다. 모래 알갱이의 표면은 매끄럽고 전체적인 모양은 볼록합니다. 입자 사이의 진정한 맞물림을 달성하는 것은 거의 불가능합니다.”라고 박사과정 손유한 씨는 설명합니다. "그러나 '모래알'의 모양을 바꾸면 다른 입자와 얽히고 맞물리는 능력을 포함하여 모래알의 거시적 거동과 기계적 특성이 크게 바뀔 것입니다."
모양이 핵심 요소라는 사실을 깨달은 연구진은 계산 방법인 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 서로 다른 모양의 입자 간의 상호 작용을 예측하고 가장 높은 수준의 얽힘을 생성하는 기하학적 설계를 찾았습니다. 그런 다음 일련의 "픽업 테스트"를 통해 시뮬레이션 결과를 검증하여 새로 설계된 입자가 실제 조립, 리프팅 및 진동 중에 어떻게 작동하는지 확인했습니다.
실험은 마침내 예상치 못했지만 매우 간단한 대답을 내놓았습니다. 스테이플과 유사한 "두 다리가 있는" 입자가 가장 강한 연동 경향을 보여주었습니다. 이러한 형태로 많은 수의 입자를 쌓은 후 시스템은 촘촘하게 얽혀 전체를 형성할 수 있으며, 특정 조건에서는 느슨해지거나 분산될 수도 있습니다.
이 디자인은 몇 가지 중요한 성능 이점을 제공하며, 그 중 하나는 고강도와 높은 인성의 드문 조합입니다. 전통적인 재료에서는 강도가 높으면 취성이 증가하는 경우가 많지만 인성이 높으면 강도가 감소하는 경우가 많습니다. 그러나 "스테이플 입자"로 구성된 이 얽힌 입자 재료는 인장 강도와 인성 모두에서 우수한 성능을 발휘합니다. 박사. 학생 Saeed Pezeshki는 다음과 같이 말했습니다. "우리의 얽힌 입자 재료는 이러한 스테이플 입자를 활용하여 뛰어난 인성을 나타내면서 높은 강도를 유지합니다."
또 다른 주요 장점은 시스템의 신속한 조립과 역분해가 가능하다는 것입니다. 연구팀은 입자 더미에 적용되는 진동 모드를 변경하여 입자 간의 맞물림 정도를 미세 조정했습니다. 부드럽고 낮은 강도의 진동은 입자가 서로 사이의 틈으로 천천히 "드릴"하여 더 촘촘한 얽힘을 형성하고 전반적인 강도를 향상시키는 데 도움이 됩니다. 더 강한 진동은 원래의 접촉 상태를 방해하여 구조가 분해되고 입자가 자유롭게 흐르는 과립 상태로 돌아가게 됩니다.
"이것은 매우 이상한 물질입니다. 분명히 액체는 아니지만 단순히 고체로 분류할 수는 없습니다."라고 Barthelat은 말했습니다. "이것은 엔지니어링 설계에 새로운 문을 열어줍니다. 실제로 손으로 얽힌 입자 공을 조작하면 이상하고 초현실적인 느낌이 들 것입니다."
잠재적인 적용 방향 중에서 지속 가능한 아키텍처가 중요한 시나리오입니다. 연구팀은 미래의 건물과 교량에서 이 얽힌 입자 물질을 구조나 충전 장치로 부분적으로 사용할 수 있을 것으로 예상합니다. 서비스 기간 동안 우수한 하중 지지력을 갖습니다. 건설 작업이 완료되거나 구조적 수명이 끝나면 전체적으로 분해하여 부품이나 입자의 재사용 및 재활용을 실현할 수 있습니다.
로봇공학은 또 다른 가능한 경로입니다. Pezeshki는 다른 학생들과의 토론에서 이 물질 개념이 "군집 로봇 공학"으로 확장될 수 있다고 믿었다고 밝혔습니다. 수많은 소형 로봇이 모양과 메커니즘 설계를 통해 서로 얽혀 있으며 작업을 수행할 때 더 크고 복잡한 구조로 결합됩니다. 작업이 완료된 후에는 서로 얽혀 있지 않고 분산되어 새로운 명령을 실행합니다.
Barthelat는 친숙한 SF 이미지를 비유로 사용했습니다. 영화 '터미네이터 2'의 액체 금속 로봇 T-1000과 유사합니다. 이 로봇은 작은 공간에서 액체 상태로 '액화'하여 장애물을 통과할 수 있고 반대편에서는 재응축하여 완전한 형태로 될 수 있습니다. 그는 “물론 현재 이 기술의 가격이 매우 높고, 대규모 적용을 이루기까지는 아직 많은 과제가 남아있지만 많은 연구자들이 주목하고 있는 방향”이라고 말했다.
현재 팀은 계속해서 이 재료 시스템을 최적화하고 돌출된 "다리" 또는 "후크"를 추가하여 입자를 의류에서 흔히 발견되는 가시 트리블러스와 다소 유사하게 만드는 등 보다 복잡한 입자 설계를 시도하고 있습니다. 이러한 다중 돌출 구조는 얽힘 효과를 더욱 강화하고 전체 구조의 안정성과 조절성을 향상시킬 것으로 기대된다.