엔지니어들은 강하고 신축성이 있는 합성 '메타물질'을 인쇄합니다.

메타물질 설계에서 핵심은 오랫동안 "강할수록 좋다"였습니다.

메타물질은 미세한 구조를 가진 합성 물질로, 전체 소재에 탁월한 특성을 부여합니다. 기존 소재보다 더 강하고 단단한 메타물질을 설계하는 데 중점을 두었습니다. 하지만 단점이 있습니다. 소재가 단단할수록 유연성이 떨어진다는 것입니다.

MIT 엔지니어들은 이제 강하면서도 신축성이 있는 메타물질을 제작하는 방법을 발견했습니다. 기본 소재는 일반적으로 매우 단단하고 부서지기 쉽지만, 정밀하고 복잡한 패턴으로 인쇄되어 강하면서도 유연한 구조를 형성합니다.

이 신소재의 이중적 특성의 핵심은 뻣뻣한 미세한 지지대와 더 부드러운 직조 구조의 조합입니다. 플렉시글라스와 유사한 폴리머를 사용하여 인쇄된 이 미세한 "이중 네트워크"는 완전히 끊어지지 않고 원래 크기의 네 배까지 늘어날 수 있는 소재를 만들어냈습니다. 이와 대조적으로, 다른 형태의 폴리머는 신축성이 거의 없거나 전혀 없으며, 일단 금이 가면 쉽게 부서집니다.

연구진은 이 새로운 이중 네트워크 설계가 신축성 있는 세라믹, 유리, 금속 등 다른 소재에도 적용될 수 있다고 밝혔습니다. 이처럼 견고하면서도 휘어지는 소재는 찢어짐에 강한 직물, 유연한 반도체, 전자 칩 패키징, 그리고 조직 재생을 위한 세포 배양을 위한 내구성이 뛰어나면서도 유연성이 뛰어난 지지체로 활용될 수 있습니다.

MIT 로버트 N. 노이스 경력 개발 부교수인 카를로스 포르텔라는 "우리는 메타물질 분야의 새로운 영역을 개척하고 있습니다."라고 말합니다. "이중 네트워크 금속이나 세라믹을 인쇄하면 이러한 이점을 많이 얻을 수 있습니다. 즉, 파괴하는 데 더 많은 에너지가 필요하고 신축성도 훨씬 더 좋아질 것입니다."

포르텔라와 그의 동료들은 이번 연구 결과를 Nature Materials 저널에 발표할 예정입니다 . 그의 MIT 공동 저자로는 제1저자인 제임스 우타마 수르자디, 바스티앙 아이몬, 몰리 카튼이 있습니다.

영감을 받은 젤

다른 연구 그룹들과 마찬가지로, 포르텔라와 그의 동료들은 일반적으로 플렉시글라스나 세라믹과 같은 기존 폴리머를 사용하여 미세 격자를 인쇄하거나 나노 가공하는 방식으로 메타물질을 설계해 왔습니다. 그들이 인쇄하는 특정 패턴, 즉 구조는 최종 메타물질에 뛰어난 강도와 내충격성을 부여할 수 있습니다.

몇 년 전, 포르텔라는 본질적으로 단단한 재료로 초물질을 만들 수 있을지, 그러나 훨씬 더 부드럽고 신축성이 있는 버전으로 패턴을 만들 수 있을지 궁금해했습니다.

"우리는 메타물질 분야가 연성 물질 영역에 실질적인 영향을 미치려는 노력을 기울이지 않았다는 것을 깨달았습니다."라고 그는 말한다. "지금까지 우리는 가능한 한 가장 강하고 강한 소재를 찾아왔습니다."

대신, 그는 더 부드럽고 신축성 있는 메타물질을 합성하는 방법을 모색했습니다. 기존의 격자 기반 메타물질처럼 미세한 버팀대와 트러스를 인쇄하는 대신, 그와 그의 팀은 스프링, 즉 코일을 서로 엮어 만든 구조를 만들었습니다. 연구진은 사용한 재료 자체는 플렉시글라스처럼 딱딱했지만, 그 결과 엮인 메타물질은 고무처럼 부드럽고 탄력이 있다는 것을 발견했습니다.

"신축성은 있지만 너무 부드럽고 탄력이 있었어요."라고 포르텔라는 회상합니다.

부드러운 메타물질을 부피 있게 만드는 방법을 찾던 중, 연구팀은 완전히 다른 물질인 하이드로젤에서 영감을 얻었습니다. 하이드로젤은 부드럽고 신축성이 있는 젤리 같은 물질로, 대부분 물과 약간의 고분자 구조로 이루어져 있습니다. MIT 연구진을 포함한 연구진은 부드러움과 신축성을 모두 갖추고 질기면서도 견고한 하이드로젤을 만드는 방법을 고안했습니다.

그들은 매우 다른 특성을 가진 고분자 네트워크를 결합하는 방식을 사용했는데, 예를 들어 본래 단단한 분자 네트워크와 본래 부드러운 분자 네트워크의 화학적 가교를 결합하는 방식입니다. 포르텔라와 그의 동료들은 이러한 이중 네트워크 설계를 메타물질에 적용할 수 있을지에 대한 의문을 제기했습니다.

"그게 바로 '아하!' 하는 순간이었어요." 포르텔라는 말합니다. "이 하이드로젤에서 영감을 얻어서 이와 비슷한 단단함과 신축성을 가진 메타물질을 만들 수 있을까 생각했죠."

스트럿과 위브

연구팀은 새로운 연구를 위해 두 가지 미세 구조를 결합하여 메타물질을 제작했습니다. 첫 번째는 버팀대와 트러스로 이루어진 격자 모양의 단단한 스캐폴드입니다. 두 번째는 각 버팀대와 트러스를 감싸는 코일 패턴입니다. 두 네트워크 모두 동일한 아크릴 플라스틱으로 제작되었으며, 2광자 리소그래피라는 고정밀 레이저 기반 프린팅 기술을 사용하여 한 번에 인쇄되었습니다.

연구진은 새로운 이중 네트워크에서 영감을 받은 메타물질 샘플을 인쇄했는데, 각 샘플의 크기는 수 제곱 마이크론에서 수 제곱 밀리미터에 이릅니다. 연구진은 샘플의 양쪽 끝을 특수 나노기계 프레스에 부착하고 재료를 분리하는 데 필요한 힘을 측정하는 일련의 응력 테스트를 진행했습니다. 또한, 재료가 분리될 때 늘어나고 찢어지는 위치와 방식을 관찰하기 위해 고해상도 비디오를 녹화했습니다.

그들은 새로운 이중 네트워크 설계가 자체 길이의 세 배까지 늘어날 수 있다는 것을 발견했는데, 이는 동일한 아크릴 플라스틱으로 인쇄된 기존의 격자 패턴 메타물질보다 10배 더 긴 길이였습니다. 포르텔라는 이 새로운 소재의 신축성은 소재에 응력이 가해지고 당겨질 때 소재의 단단한 지지대와 더 복잡하고 꼬인 직조 사이의 상호작용에서 비롯된다고 설명합니다.

"이 짜여진 네트워크를 격자에 얽힌 스파게티 면이라고 생각해 보세요. 거대한 격자 네트워크가 깨지면 그 깨진 부분들이 함께 따라오게 되고, 이제 이 모든 스파게티 면들이 격자 조각들과 얽히게 됩니다."라고 포르텔라는 설명합니다. "이로 인해 짜여진 섬유 사이의 얽힘이 더 심해지고, 이는 마찰과 에너지 소산이 증가한다는 것을 의미합니다."

다시 말해, 재료의 단단한 격자 전체에 감긴 더 부드러운 구조는 균열이 생긴 버팀대에 의해 촉진되는 여러 개의 매듭이나 얽힘으로 인해 더 큰 응력을 받게 됩니다. 이 응력이 재료 전체에 고르지 않게 확산되기 때문에 초기 균열이 직접 관통하여 재료를 빠르게 찢어낼 가능성은 낮습니다.

더욱이 연구팀은 메타물질에 전략적 구멍, 즉 "결함"을 만들면 재료가 받는 응력을 더욱 감소시켜 재료의 신축성과 찢김 저항성을 더욱 높일 수 있다는 것을 발견했습니다.

"이렇게 하면 재료의 품질이 떨어진다고 생각할 수도 있습니다."라고 연구 공동 저자인 수르자디는 말합니다. "하지만 결함을 추가하기 시작하자 늘어나는 힘이 두 배로 늘어나고, 소모되는 에너지도 세 배로 늘어났습니다. 덕분에 강성과 인성을 모두 갖춘 재료를 얻을 수 있었는데, 이는 흔히 모순되는 현상입니다."

연구팀은 엔지니어들이 강성과 신축성을 갖춘 네트워크 패턴을 기반으로 메타물질의 성능을 예측할 수 있는 계산 프레임워크를 개발했습니다. 연구팀은 이러한 설계도가 찢어짐 방지 직물 및 직물을 설계하는 데 유용할 것으로 예상합니다.

"취성이 더 높은 소재에도 이러한 접근법을 시도하여 다기능성을 부여하고 싶습니다."라고 포르텔라는 말합니다. "지금까지는 기계적 특성에 대해 이야기했지만, 전도성을 부여하거나 온도에 반응하도록 만들 수 있다면 어떨까요? 이를 위해 두 네트워크를 서로 다른 폴리머로 만들어 온도에 서로 다른 방식으로 반응하게 할 수 있습니다. 이렇게 하면 직물이 따뜻할 때는 기공을 열거나 더 유연해지고, 추울 때는 더 단단해질 수 있습니다. 지금 바로 연구해 볼 만한 주제입니다."

이 연구는 미국 국립과학재단과 MIT MechE MathWorks Seed Fund의 일부 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250423112135.htm