이스라엘의 헤브리대학교 등의 연구팀이, 일반적인 얼음의 약 10배의 압축강도를 가진 복합재료 “BioPykrete”를 개발했습니다. 일반적인 얼음은 강한 힘을 받으면 한 번에 깨져 버리지만, BioPykrete는 갑자기 깨지지 않고, 서서히 변형되는 것이 특징입니다. Biomimetic engineering of a fortified ice composite with enhanced mechanical properties - ScienceDirect https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927776526006259A 새로운 ‘슈퍼 아이스’는 10배 더 강하며, 콘크리트의 강도에 가깝게 만듭니다 : ScienceAlert https://www.sciencealert.com/a-new-super-ice-is-10-times-stronger-bringing-it-close-to-the-strength-of-concrete
얼음 속에 식물 유래 재료를 첨가하여 강도를 높이는 시도는 이전부터 있었으며, 1940년대에는 목재펄프를 얼음에 섞은 “파이크리트(Pikecrete)”가 개발되었습니다. 이번 연구팀은 단순히 섬유를 섞는 것뿐만 아니라, 보강재와 얼음이 분자 수준에서 결합하도록 기획함으로써 더욱 강도를 높일 수 있다고 생각했습니다. 연구팀은 먼저, 식물의 세포벽을 구성하는 셀로오스(Cellulose)의 미세한 결정 “셀로오스나노크리스탈(CNC, Cellulose Nano Crystals)”을 물에 섞어 한 방향에서 동결시켰습니다. CNC를 섞는 것은 물이 얼 때 CNC가 미세한 망상 구조를 만들고, 그 안에 얼음이 가두어지는 것을 의미합니다.
더 나아가, 이 망상과 얼음을 더욱 끈끈하게 결합시키기 위해, 연구팀은 얼음에 결합하는 어류 불동결 단백질 “AFPIII(Antifreeze Protein II)”와, 셀로오스에 결합하는 단백질의 일부 “CBM3a(Cell-Binding Matrix 3a)”를 연결했습니다. 이렇게 만들어낸 융합 단백질 “CBM3a-AFPIIII”를 CNC의 망상과 얼음을 연결하는 접착제처럼 활용하려는 목표입니다. 아래는 BioPykrete의 구조를 나타낸 모형도입니다. 왼쪽은 노란색 CNC 망상이 파란색 얼음을 감싸는 모습을 보여주고 있으며, 오른쪽은 얼음과 CNC가 결합하는 부분을 분자 수준에서 확대하여, 융합 단백질의 파란색 부분이 CNC에 결합하는 방식, 보라색 부분이 얼음에 결합하는 방식을 나타냅니다.
연구팀은 CNC를 2% 함유한 물에 CBM3a-AFPIII를 첨가하여, 바닥에서 냉각시켜 얼린 후, 일반적인 얼음이나 융합 단백질을 포함하지 않는 복합 재료들도 포함하여 각 조건에서 5개씩 직경 2cm·높이 1cm의 원통형 샘플을 준비했습니다. 그리고, 샘플을 금속판으로 눌러 얼음이 성장한 방향으로 압축하고, 그러한 힘과 변형의 크기를 측정하여 비교했습니다. 다음이 시험에 사용된 샘플입니다.
압축 시험 결과, BioPykrete의 압축 강도는 일반적인 얼음의 약 10배에 달한다고 연구팀은 보고했습니다. 2 종류의 단백질을 연결하지 않고 첨가한 복합 재료와 비교했을 때, 압축 강도는 약 2배였습니다. 또한, 깨짐 방식에도 차이가 있었습니다. 일반적인 얼음은 균열이 퍼지면 갑자기 부서져 버리지만, BioPykrete는 서서히 변형합니다. 더 나아가, 압축 시험에서 얻은 “깨지는 데 소요되는 에너지”는 같은 부피로 비교했을 때 일반적인 얼음의 약 70배였습니다. 연구팀은 CNC의 망目が 균열의 확산을 방해하고 얼음이 한 번에 부서지는 것을 막는다고 설명했습니다. 균열이 퍼지려면 CNC의 망目を 얼음에서 분리하거나 망목 자체를 변형시켜야 할 것입니다. 더불어, 융합 단백질이 CNC와 얼음의 결합을 강화하기 때문에 더 큰 힘에 견딜 수 있다고 연구팀은 생각했습니다. 아래 사진은 BioPykrete를 동결 건조시켜 얼음을 제거하고, 남은 CNC의 망목을 전자 현미경으로 관찰한 것입니다.
연구팀은 일반적인 콘크리트와 유사한 압축 강도를 가진 BioPykrete를 북극이나 남극에서 사용될 건축 자재의 후보로 고려하고 있습니다. 그러나 이번 연구는 작은 샘플을 사용하여 성능을 확인한 단계에 불과하며, 실제로 건축 자재로 사용 가능한지 판단하려면 장기적인 내구성 외에도 동결 및 해동을 반복했을 경우의 부식 및 하중이 지속되었을 경우의 변형 등을 조사해야 합니다. 연구팀은 얼음 얼리는 속도와 절차를 조정하고, 얼음과 셀룰로오스를 연결하는 단백질의 조합을 개선함으로써 더욱 높은 강도의 재료를 만들 수 있을 것으로 보고 있습니다.
원문 보기 | 출처: Gigazine