비즈니스 기회
자연은 더 단단한 건축자재 개발에 영감을 줍니다
굴과 전복 껍질을 구성하는 재료에서 영감을 받아 프린스턴의 엔지니어들은 표준 시멘트보다 17배 더 균열에 강하고 부서지지 않고 19배 더 늘어나고 변형될 수 있는 새로운 시멘트 복합재를 만들었습니다. 이 발견은 결국 콘크리트에서 도자기에 이르기까지 다양한 부서지기 쉬운 세라믹 재료의 균열 저항성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.
"균열 전파에 저항하기 위해 콘크리트를 설계할 수 있다면 더 튼튼하고 안전하며 내구성 있게 만들 수 있습니다"라고 토목 및 환경 공학과 레자 모이니 연구실의 대학원생인 연구원 Shashank Gupta는 말했습니다.
Advanced Functional Materials에 발표된 기사에서 토목 및 환경 공학 조교수인 Moini가 이끄는 연구팀은 시멘트 페이스트와 얇은 폴리머의 교대 층을 생성하면 균열 저항성과 완전히 깨지지 않고 변형되는 능력(연성)을 크게 높일 수 있다고 보고했습니다.
Moini의 연구실은 건축 자재 연구에서 영감을 얻기 위해 종종 생물학을 찾습니다. 이 경우 팀은 특정 조개껍질 내부에서 발견되는 진주층 또는 진주색이라는 천연 재료에서 영감을 받은 합성물을 개발했습니다. 굽타는 미세한 수준에서 진주층은 부드러운 생체 고분자로 접착된 단단한 광물 아라고나이트의 육각형 정제로 구성되어 있다고 말했습니다.
아라고나이트 정제는 진주층의 강도에 크게 기여하는 반면, 생체 고분자는 유연성과 균열 저항성을 더합니다. 강화 메커니즘은 아라고나이트 정제가 스트레스를 받으면 미끄러지는 것을 포함하며, 이는 다른 메커니즘과 함께 진주층이 에너지를 발산할 수 있도록 합니다. 이러한 슬라이딩 작용은 균열 편향 및 생체 고분자 변형과 결합되어 진주층이 구조적 무결성을 유지하면서 상당한 기계적 응력을 견딜 수 있도록 하여 강하고 탄력적입니다.
"경질 및 연질 구성 요소 간의 이러한 시너지 효과는 진주층의 놀라운 기계적 특성에 매우 중요합니다"라고 Gupta는 말했습니다.
프린스턴팀은 포틀랜드 시멘트 페이스트와 같은 기존 건축 자재와 제한된 양의 폴리머를 결합하여 진주층에서 영감을 받은 혁신적인 복합 재료를 개발했습니다. 그들은 시멘트 페이스트 시트의 층을 신축성이 높은 폴리머인 폴리비닐 실록산과 번갈아 가며 사용했습니다. 연구진은 시멘트 페이스트 시트와 얇은 폴리머 층을 번갈아 가며 다층 소형 빔을 만들었습니다. 그런 다음 이러한 빔은 노치가 있는 3점 굽힘 테스트를 거쳤으며, 여기서 각 빔은 굴곡 하에서 테스트되어 균열 저항(또는 파괴 인성)을 평가했습니다.
실험에서 연구원들은 세 가지 유형의 빔을 생성했습니다.
첫 번째 유형은 시멘트 페이스트 시트와 얇은 폴리머의 교대층으로 구성되었습니다.
두 번째 유형의 경우 레이저를 사용하여 시멘트 페이스트 시트에 육각형 홈을 새겼습니다. 그런 다음 이 홈이 있는 시트를 사이에 얇은 폴리머층으로 적층했습니다.
세 번째 유형은 두 번째 유형과 유사했지만 연구원들은 시멘트를 완전히 절단하여 폴리머 층으로 연결된 분리된 육각형 정제를 만들었습니다. 이 시멘트 페이스트 정제는 아라고나이트가 진주층의 생체 고분자 층에 있는 것과 유사하게 폴리머 층 위에 놓여 있습니다. 이 세 가지 유형은 기준 고체(모놀리식) 주조 시멘트 페이스트 대응물과 비교되었습니다.
이상의 기사는 2024년 6월 11일 TechXplore에 게재된 “From seashells to cement, nature inspires tougher building material”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : From seashells to cement, nature inspires tougher building material (techxplore.com)
* 추가정보 출처 : Tough and Ductile Architected Nacre‐Like Cementitious Composites - Gupta - Advanced Functional Materials - Wiley Online Library