미국 과학자들이 금속이 스스로 치유할 수 있다는 것을 증명했습니다.

텍사스 A&M 대학교와 뉴멕시코주 샌디아 국립 연구소의 과학자들은 금속이 깨지고 다시 융합되는 것을 관찰했으며, 이는 자가 치유 기계, 차량 및 교량의 길을 열 수 있는 발견입니다.

과학저널 네이처(Nature)에 발표된 이번 연구에서는 금속이 반복적으로 응력을 받을 때 형성되는 미세한 균열을 금속이 자가 복구할 수 있음을 보여줍니다.

이는 냉간 용접으로 알려진 공정을 통해 이루어지며, 이는 열이나 전기가 필요하지 않음을 의미합니다.

보고서는 기계적 고장의 90%가 반복적인 응력으로 인해 균열이 발생할 때 발생하는 금속 부품의 피로로 인해 발생하므로 이러한 획기적인 발전은 엔지니어링에 중요한 영향을 미칠 수 있다고 보고서는 주장합니다.

자가 치유 과정을 활용하고 그에 따라 금속의 미세 구조를 조정함으로써 과학자들은 피로 균열을 방지하는 것이 가능할 것이라고 예측합니다.

텍사스 A&M 교수이자 이번 연구의 공동저자인 Michael J Demkowicz는 "우리는 금속 미세구조가 치유에 어떻게 영향을 미치는지 이해하고 싶습니다."라고 말했습니다.

"이러한 지식을 바탕으로 우리는 예를 들어 피로 손상에 더 강한 재료를 만들기 위해 기술 응용 분야에서 자가 치유를 활용하도록 미세 구조를 맞춤화하는 것을 구상할 수 있습니다."라고 그는 Dezeen에 말했습니다.

냉간 용접으로 자가 치유 가능

과학자들은 한동안 자가 치유 물질의 잠재력을 조사해 왔습니다.

대부분의 획기적인 발전은 콜로라도 대학 볼더(University of Colorado Boulder) 과학자들이 개발한 자가 치유 "e-skin"과 같은 프로젝트에서 플라스틱 개발에 있었습니다. 하지만 최근 MIT 연구에서는 콘크리트에서도 이것이 가능하다는 것이 밝혀졌습니다.

이전에는 금속을 먼저 ​​가열하지 않으면 금속의 특성이 관찰되지 않았습니다.

이번 연구는 주로 전자제품과 우주선 기술에 활용되는 냉간 용접으로 알려진 공정을 통해 진공 조건 하의 실온에서 달성될 수 있음을 보여줍니다.

이는 두 개의 금속 조각이 너무 가까워져서 원자가 서로 끌어당겨 표면이 융합될 때 발생합니다. 금속이 완전히 깨끗한 경우에만 가능합니다.

Sandia National Laboratories의 연구원들은 40나노미터 두께의 백금 조각에 균열이 어떻게 형성되는지 확인하기 위한 테스트 중에 발견했습니다.

그들은 균열이 다시 융합되어 흔적을 남기지 않고 결국 다른 위치에서 다시 열리는 것을 관찰했습니다.

Sandia의 과학자 Brad Boyce는 Wiley Analytical Science 잡지에 “이것은 직접 보는 것이 정말 놀랍습니다.”라고 말했습니다.

이번 연구의 공동 저자이기도 한 Boyce는 "우리가 확인한 것은 적어도 나노 규모의 피로 손상의 경우 금속이 스스로 치유할 수 있는 고유하고 자연스러운 능력을 가지고 있다는 것입니다."라고 말했습니다.

연구가 실제로 실행되기까지 10년 전

이번 연구 결과는 뎀코위츠(Demkowicz)가 2013년 MIT 교수로 재직하던 시절 당시 대학원생인 궈창 쉬(Guoqiang Xu)가 제작한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 바탕으로 처음 제안한 논문을 입증한 것이다.

당시 두 사람은 자신의 이론을 증명할 방법이 없었습니다. 이제 Sandia의 연구에서는 자가 치유가 백금뿐만 아니라 구리에서도 가능하다는 사실이 밝혀졌으며 연구자들은 자가 치유가 다른 금속에서도 발생할 수 있다고 믿습니다.

보고서는 이번 발견이 "엔지니어들이 구조 재료의 피로 수명을 설계하고 평가하는 방법에 대한 가장 기본적인 이론에 도전한다"고 밝혔습니다.

그러나 Demkowicz는 이러한 통찰력이 실제 적용에 사용되기까지는 최소 10년이 걸릴 것이라고 주장합니다.

다음 단계는 진공 상태뿐만 아니라 공기에 노출되었을 때 금속이 자가 치유할 수 있는지, 강철과 같은 금속 합금에도 이 과정이 가능한지 여부를 탐구하는 것입니다.

"가장 중요한 단기적 결과는 금속 피로에 대한 기본 이론에 대한 것입니다"라고 그는 Dezeen에게 말했습니다. "균열 치유를 고려하여 이러한 부분을 수정해야 합니다."

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