제 목 : 강한 강도(stiffness)를 갖는 물질의 개발

2001/03/24

정보출처 : http://focus.aps.org/open/st13.html

스프링을 누른 후 놓으면 다시 뒤로 밀려난다. 재료 과학자들은 이러한 특성을 양성 강도(stiffness)라고 부른다. 반대로 음성 강도를 가지는 물질을 만드는 것이 가능하다 할지라도 그러한 물질들은 불안정하다. 이 물질들을 밀면 양성 강도를 갖는 어떤 물질로 찌부러지거나 산산조각으로 흩어진다.

PLR 3월 26일자에 음성 강도의 작은 방울을 갖는 물질을 뿌림으로써 물질이 가지는 전체 양성 강도를 극적으로 증가시킬 수 있다는 이론이 발표 될 것이다. 그 놀라운 개념은 언젠가 더욱 견고한 비행기 날개, 더 조용한 자동차 그리고 심지어 임시 대체 힘줄을 만드는데 사용될 수도 있을 것이다.

기계 설계는 강도에 의해 제한된다. 누구도 난기류에서 젖은 면발처럼 펄럭이는 날개가 장착된 비행기를 타고 싶어하지 않는다. 공학자들이 물질의 강도를 증가시키는 혼합물을 만들었다. 그러나 일단 기하학과 복합성분이 정해지면, 강도의 뚜렷한 상한선을 풀기위해 수학적인 이론을 30년이나 늘어놓아야 한다. 그 최고 한계를 증가시키려면 더 무겁거나 더 비싼 물질을 필요하게 된다. 그러나 위스콘신 대학의 재료 과학자 로데릭 레익스는 손쉽게 이 문제를 다루면서, “이 모든 법칙에 강도가 양성이라는 가정을 하라.”고 말했다.

음성 강도를 추가하면, 그 모든 가정들을 맨 처음으로 돌리는 것이 된다. 변형에 저항하는 힘, 즉 보통의 회복력을 발휘하는 대신, 음성 강도를 가진 물질은 빠른 변형의 진행을 위해 불안정한 평형 상태에 저장된 에너지를 이용한다. 그 물질들은 불안정하기 때문에, 일반적으로 빠르게 부서진다. 그러나 음성 강도를 갖는 작은 방울들은 양성 강도 물질의 이면에서 보존될 수 있다. 어떤 경우에, 혼합물은 더 낮은 전체 강도를 가질 것이다. 그러나 PRL 보고서에서, 레익스는 그 반대도 耉爭?수 있다는 것을 수학적으로 보여 줄 것이다.

“두 개의 상은 어떤 기하학적인 면에서 서로 협력한다. 그리고 결국 효과가 제로로 끝난다. 때때로 강도가 역으로 더해져서, 더 큰 양성 강도가 주어진다.”라고 레익스는 말한다. 비록 그의 보고서가 그러한 효과를 수학적으로 제시한다 하더라도 그것은 단지 이론적 환상만은 아니다.

각각의 논문에서, 레익스는 실리콘 고무관이 부분적으로 찌부러진 소다 캔처럼 뒤틀릴 때 음성 강도를 갖는다는 것을 보여 준다. 뒤틀린 관들은 뒤틀리지 않은 관들과 섞인다. 혼합물 강도는 그의 이론이 예측한 대로, 크기의 순서로 일어난다. 높은 강도 혼합물은 또한 진동을 빠르게 가라앉히는 경향이 있다고 레익스 말한다. 이것은 잠재적으로 비행기 날개와 자동차에 이상적인 물질이다.

“이것은 아주 혁신적이고 신나는 일이다.” 클리블랜드에 있는 케이스 웨스턴 리절브 대학의 생의학 공학자 로렌스 카츠는 말한다. 카츠는 음성 강도 물질이 또한 의학에 사용될 수 있다고 예측한다. “음성 강도 물질을 팽팽한 힘줄에 넣을 수 있다면 그것은 천연 조직이 자라나게 할 여지를 남기는 기반이 될 것이다.”