누르면 수축하는 '메타물질' 접근법
누르면 수축하는 '메타물질' 접근법
  • 이상진
  • 승인 2019.05.14 01:00
  • 조회수 780
  • 댓글 0
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UNIST 자연과학부의 최원영 교수팀이 금속과 유기물로 이뤄진 구멍이 많은 구조체인 '금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, MOF)'를 합성하고 음성 푸아송 비(NPR)의 특성을 확인하는 데 성공했다고 밝혔습니다. 

누르는 방향 수직으로 수축하는 상상 속 '메타물질' 접근법이 발견됐습니다. 출처:fotolia
누르는 방향 수직으로 수축하는 상상 속 '메타물질' 접근법이 발견됐습니다. 출처:fotolia

음성 푸아송 비를 가진 물질은 충격파 흡수재료나 센서, 인공 근육 등에서 유용하게 쓰일 전망이라 이번 연구가 특히 주목받고 있는데요. 푸아송 비(Poisson's ratio)는 물체에 힘을 더할 때 수축하거나 팽창하는 정도를 나타내는 개념입니다. 예를 들어 물체에 압력을 가했을 때 그 방향과 수직인 쪽으로 팽창하므로 푸아송 비를 계산할 수 있습니다. 

 

그런데 몇몇 독특한 물질은 압력이 가해진 방향의 수직인 쪽으로 수축하는 특징을 보이는데요. 푸아송 비를 가진 물질과는 반대로 작동하는 것이다. 이것을 '음성(Negative) 푸아송 비'의 특성이라 합니다. 음성 푸아송 비를 가진 물질은 충격파 흡수 재료나 센서, 인공 근육 등에서 유용하게 쓰일 전망이라 이번 연구가 특히 주목받고 있는데요.

 

기존 음성 푸아송 비의 특징을 가진 모델은 수학적 계산으로 연구됐습니다. 그 이후 다양한 모델을 기반으로 제올라이트나 고분자 등에서 음성 푸아송 비의 특성을 확인했는데요. 이 물질들은 다양한 구조적 특징을 보였는데 이 중에는 '내부 구조 배열이 회전(rotation)하는 형태'도 있었습니다. 최원영 교수팀은 이런 '회전 모델'을 유연한 고체 물질에서 구현해 음성 푸아송 비를 갖는 MOF를 합성했어요.

푸아송 비와 음성 푸아송 비의 특성에 따라 변형되는 물질의 모식도. 출처:UNIST
푸아송 비와 음성 푸아송 비의 특성에 따라 변형되는 물질의 모식도. 출처:UNIST

진은지 UNIST 화학과 박사과정 연구원은 "음성 푸아송 비의 특성은 구성성분이나 크기가 아니라 내부 구조의 배열이 핵심적인 역할을 한다"며 "이번 연구에서는 음성 푸아송 비의 특성을 갖는 회전 모델을 자기조립 고체 물질에 적용한 것"이라고 설명했습니다.

 

최 교수팀은 새로 합성한 MOF(UPF-1)에서 음성 푸아송 비의 특징이 나타나는 원리도 규명했는데요. 이 물질에는 경첩처럼 접히는 구조(Hinged Point)가 있어 이를 중심으로 내부 구조의 배열이 변한다고 합니다. 그 결과 회전 메커니즘을 토대로 물질이 수축·팽창하면서 음성 푸아송 비의 특징을 보이는 것이죠.

 

민승규 UNIST 자연과학부 교수팀은 UPF-1의 푸아송 비를 밀도함수이론(DFT)에 기반한 반-경험적(semi-empirical) 방법(DFTB)으로 계산했습니다. 그 결과 UPF-1 구조는 압력이 주어진 방향에 수직 쪽으로 변화하면서 음성 푸아송 비의 값(-1)을 갖는 걸 확인했다고 해요. 이런 변화는 접히는 지점을 중심으로 이뤄지는 ‘회전 모델’에 기반하고 있었습니다.

왼쪽부터 최원영 교수, 진은지 연구원, 이인성 연구원, 민승규 교수. 출처:UNIST
왼쪽부터 최원영 교수, 진은지 연구원, 이인성 연구원, 민승규 교수. 출처: UNIST

최원영 교수는 "이번 연구의 가장 큰 성과는 보고된 7만여 개의 금속-유기 골격체 중 특정 구조가 음성 푸아송 비의 특성을 갖는 물질의 후보가 될 수 있음을 보인 것”이라며 “다양한 구조에서 새로운 메타 물질의 등장을 예고한다"고 말했습니다.

 

이번 연구 결과는 <Science>의 자매지 <Science Advances>에 게재됐습니다.


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