트위스트 버클링으로 초탄성 키랄 구조의 잠재력을 확보할 수 있다

중국과 미국의 연구진이 트위스트 버클링(twist buckling)이라는 기법을 활용하여 고엔탈피 탄성 재료의 성능을 향상시키는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 새로운 설계를 통해 더 가볍고 성능이 뛰어난 메타물질을 개발할 수 있을 것으로 기대됩니다. 알아두어야 할 사항은 다음과 같습니다.

고엔탈피 탄성 메타물질이란 무엇이며 왜 중요한가

고엔탈피 탄성 메타물질은 엔지니어들이 충격을 흡수하고, 하중 지지력을 향상시키며, 기계적 에너지를 저장하는 데 필수적인 요소입니다. 이러한 소재는 오늘날 첨단 기기의 핵심 부품입니다.

이 개념의 일반적인 예로는 곧은 막대로 만들어진 구조물을 생각해 볼 수 있습니다. 이제, 막대를 살짝 비틀어 같은 구조물을 그려 보세요. 살짝 비틀면 막대의 충격 저항성과 하중 용량이 커집니다. 따라서 고엔탈피 탄성 소재는 다양한 용도에 맞게 맞춤 제작할 수 있는 경량 구조로 충격 저항성과 운동 민첩성을 제공합니다.

차세대 메타물질이 직면한 과제

현재 고엔탈피 탄성 메타물질에는 도입률을 높이기 위해 해결해야 할 몇 가지 문제가 있습니다. 첫째, 엔지니어가 상반되는 특성을 가진 구조물을 제작해야 합니다.

이러한 소재는 응력을 견딜 수 있어야 하지만 특정 위치에서는 강성을 유지해야 합니다. 강하면서도 손상 없이 충격을 흡수할 수 있을 만큼 부드러워야 합니다. 또한, 이러한 구조는 나노 스케일로 설계될 수 있어 복잡성이 더욱 증가합니다. 다행히 중국과 미국 엔지니어팀이 트위스트 버클링(twist buckling)이라는 개념을 사용하여 초고성능 키랄 구조를 만드는 새로운 방법을 개발했습니다.

트위스트 버클링 소개: 메타물질 설계의 판도를 바꾸는 기술

"라는 제목의 연구비틀림 좌굴을 통한 키랄 메타물질의 큰 회복 가능 탄성 에너지"¹ 자유롭게 회전 가능한 키랄 메타셀을 통해 고엔탈피 탄성 메타물질을 제작하는 방법을 조명합니다. 이러한 셀은 비틀림, 압축, 굽힘을 통합하는 키랄 구조를 활용하여 새로운 차원의 충격 저항성과 복원력을 구현합니다.

출처 – 자연

기계공학에서의 키랄 구조 이해

엔지니어들은 키랄 구조가 개선을 시작하기에 이상적인 위치라고 생각했습니다. 키랄성(chirality)이라는 용어는 거울상에 겹쳐질 수 없는 물체를 의미합니다. 이 개념을 시각화하는 가장 쉬운 방법은 손을 떠올리는 것입니다. 손은 거울에 반사되지만, 어떤 식으로든 회전시켜 반사된 모습을 원래 이미지와 일치시킬 수는 없습니다.

오늘날 사용되는 키랄 구조에는 키랄 분자, 입체 중심, 축 키랄성, 평면 키랄성 등 여러 유형이 있습니다. 이러한 키랄 구조는 각각 기하학적 구조나 축 때문에 거울상에 중첩될 수 없습니다. 특히, 키랄 구조는 정상 모드와 변형 모드를 가질 수 있는 등 고유한 장점을 제공합니다.

트위스트 버클링이 에너지 저장 및 복원력을 향상시키는 방법

변형 모드에서 키랄 구조는 구조적 무결성을 유지하면서도 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 과학자들이 변형 모드의 성능을 개선하는 방법 중 하나는 인장 좌굴 변형 전략을 이용하는 것입니다.

비틀림 좌굴 변형

수년간의 연구를 통해 엔지니어들은 축 방향 변형과 비틀림을 결합함으로써 키랄 구조의 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 흥미롭게도, 엔지니어들은 키랄 구조 자체를 이용하여 변형을 유발합니다.

트위스트 버클링

이제 트위스트 버클링(twist buckling)의 도입으로 이 개념은 더욱 발전했습니다. 이 구조는 거울 대칭 메타셀(metacell)을 활용합니다. 이 구조는 두 개의 동축 토러스(torus)를 일정 거리 떨어진 곳에 통합하는 키랄 암(chiral arm)을 가지고 있습니다. 이 유닛들은 키랄 구조에서 뻗어 나온 막대(rod)를 가지고 있어 압력이 가해졌을 때 구조가 적절한 각도로 회전하도록 합니다.

뒤틀림 후 좌굴 거동

연구의 일환으로 엔지니어들은 여러 개의 키랄 구조를 생성한 후 좌굴 후 거동을 연구했습니다. 이 과정을 통해 몇 가지 중요한 차이점을 발견할 수 있었습니다. 첫째, 각 막대의 네 가지 변형 모드를 완벽하게 포착할 수 있었습니다. 이 모드에는 면내 굽힘, 면외 굽힘, 비틀림, 그리고 압축이 있습니다.

그들은 많은 키랄 디자인에서 구조가 더 촘촘해짐에 따라 내부 코어가 비어 있는 상태를 유지한다는 것을 발견했습니다. 또한 키랄 막대의 파괴 지점이 일반적으로 막대 표면의 꼬인 리본 영역에 있다는 것을 발견했습니다. 그런 다음 이 데이터를 기록하여 미세극성 탄성 프레임워크에 통합했습니다.

항상 더 나은 것은 아니다

엔지니어들은 또한 기존의 막대가 파손되기 직전까지 활용될 경우, 꼬인 막대 설계에 비해 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 점에 주목했습니다. 하지만 꼬인 막대가 파손되더라도, 꼬인 막대는 결함 없이 계속 작동하여 치명적인 파손을 방지할 수 있습니다.

실험적 증명: 3D 프린팅 키랄 구조가 획기적인 결과를 제공

엔지니어들은 이론을 검증하기 위해 여러 가지 키랄 구조를 만들었습니다. 3D 프린터를 사용하여 여러 막대, 보, 그리고 판 기반 시편을 시험했습니다. 이러한 시편들은 고무 또는 TC4 티타늄 합금을 사용하여 제작되었습니다.

비틀림 좌굴 시험 결과

시험 결과는 키랄 트위스트 좌굴 작용이 과학자들의 분석 예측과 일치함을 예리하게 보여줍니다. 또한 연구팀은 엄청난 성능 향상을 보고했습니다. 구체적으로, 최적화되지 않은 키랄 메타물질은 좌굴 강도를 5~10배, 엔탈피를 최대 160배, 질량당 에너지를 최대 32배까지 향상시켰습니다.

흥미롭게도, 엔지니어들은 면내 및 면외 굽힘 모두 연구팀이 제시한 1/2차 좌굴 모드를 따른다는 것을 발견했습니다. 또한, 키랄 막대는 비키랄 옵션보다 최대 4배의 에너지를 저장할 수 있습니다.

트위스트 버클링의 이점

트위스트 좌굴 연구는 시장에 많은 이점을 제공합니다. 첫째, 차세대 메타물질과 첨단 제조 기술의 이상적인 구성 요소인 키랄 구조의 성능을 향상시킵니다. 이 새로운 설계는 엔지니어에게 설계에 고장을 반영할 수 있는 방법을 제공합니다. 하중이 증가함에 따라 갑자기 부러지거나 휘어지는 대신 부드럽게 좌굴되는 장치를 상상해 보세요. 이러한 장치는 나노스케일로 제작될 수 있는 가능성을 제공하는 동시에 치명적인 고장을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

트위스트 좌굴 메타물질의 실제 세계 응용

이러한 첨단 트위스트 버클링 키랄 구조는 다양한 용도로 활용됩니다. 이러한 구조는 더 높은 복원력을 제공하고, 변형된 구조와 에너지에 대한 위협을 가하는 동시에 원치 않는 압력으로부터 보호할 수 있습니다. 따라서 여러 산업 분야에서 이러한 장치에 의존하고 있습니다. 오늘날 키랄 구조의 몇 가지 응용 분야를 소개합니다.

의료

의료 분야는 이 기술을 활용하여 시장의 다양한 측면을 개선할 것입니다. 이러한 구조는 민감한 바이오센서를 만드는 데 활용될 수 있습니다. 이러한 센서는 다른 방법보다 훨씬 먼저 의료 전문가에게 질병 및 기타 문제를 알려줄 수 있습니다.

키랄 구조의 또 다른 용도는 약물 전달입니다. 연구자들은 특정 유형의 세포를 표적으로 삼을 수 있는 키랄 구조를 개발했습니다. 이러한 장치를 통해 의료 전문가들은 신장이나 간처럼 내용물이 끊임없이 배출되는 접근하기 어려운 부위의 치료를 개선할 수 있습니다.

산업(공업)

키랄 구조는 여러 산업적 용도로 사용됩니다. 예를 들어, 화학 반응을 촉진하는 촉매로 사용되어 왔습니다. 키랄 구조는 나노기술의 핵심 요소이기도 합니다. 나노튜브는 매우 작은 크기에서도 강성을 유지하기 위해 키랄 구조에 의존합니다.

메타물질의 미래: 비틀림 좌굴 이후에는 무엇이 올까?

본 연구에는 중국 창사 국립국방과학기술대학교 지능과학기술학원, 장비 상태 감지 및 스마트 지원 국가중점실험실을 포함한 여러 고위 기관의 연구진이 참여했습니다. 본 보고서는 신 팡(Xin Fang), 디안롱 유(Dianlong Yu), 지홍 웬(Jihong Wen), 이판 다이(Yifan Dai)를 주요 저자로 명시하고 있으며, 이판 다이(Yifan Dai), 매튜 R. 베글리(Matthew R. Begley), 화지안 가오(Huajian Gao), 피터 검브쉬(Peter Gumbsch)의 지원을 받았습니다.

트위스트 버클링 퓨처

엔지니어들은 이제 키랄 구조와 비틀림 좌굴에 대한 이해를 심화하고자 합니다. 새로운 소재를 통합하고 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 다른 방법과 접근법을 시험할 것입니다. 목표는 현재 사용 가능한 옵션과 동일하거나 더 낮은 비용으로 초고성능 키랄 구조를 개발하는 것입니다.

나노기술 부문에 투자

나노기술 분야에는 많은 기업이 참여하고 있습니다. 이 첨단 기술 시장은 세계 최첨단 산업의 미래로 여겨집니다. 따라서 수십억 달러가 R&D와 제조에 지속적으로 투자되고 있습니다. 나노기술 발전의 선두에 서 있는 기업을 소개합니다.

IBM

IBM (IBM ) 1911년 컴퓨팅-표 작성-기록 회사(CTR)라는 이름으로 시장에 진출했습니다. 1924년, 당시 기술의 발전을 반영하여 인터내셔널 비즈니스 머신(IBM)으로 사명을 변경했습니다. IBM은 설립 이후 전 세계적으로 가장 인정받는 기업 중 하나로 자리매김했습니다.

이 거대 기업은 최근 몇 년간 가장 큰 혁신을 이루어 왔습니다. 뉴욕에 본사를 두고 있으며 170개국에서 사업을 운영하고 있습니다. 특히 IBM은 인프라 서비스, 소프트웨어, IT 서비스, 하드웨어를 담당하는 사업부를 보유하고 있습니다.

IBM은 생명공학 분야의 선구자입니다. 여러 특허를 출원했으며, 해당 기술을 자사 제품에 통합할 방법을 끊임없이 모색하고 있습니다. 나노기술 분야에서 검증되고 오랜 기간 혁신을 이룬 기업을 찾는다면 IBM에 대해 더 자세히 알아보는 것이 좋습니다.

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키랄 트위스트 버클링: 더욱 강력하고 스마트한 소재 시대를 열다

일반인은 키랄 구조가 오늘날 세상에 얼마나 중요한지 결코 이해하지 못할 것입니다. 하지만 이 연구에 참여한 엔지니어들이 추가적인 채택과 혁신의 문을 열었다는 점은 주목할 만합니다. 그들의 헌신적인 노력은 이 기술을 최대한 활용하는 데 도움이 될 몇 가지 발견으로 이어졌습니다.

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참고 연구:

^{1. Fang, X., Yu, D., Wen, J., Dai, Y., Begley, MR, Gao, H., & Gumbsch, P. (2025). 비틀림 좌굴을 통한 키랄 메타물질의 큰 회복 가능 탄성 에너지. 자연, 639, 639–645. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08658-z}